cenidet Jos… · José Alberto Vicente López Ing. Electromecánico por el I. T. del Istmo como...

cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Mecánica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Evaluación del Funcionamiento Térmico de Ventanas Mexicanas Mediante una Cámara de Ambiente Controlado

presentada por

José Alberto Vicente López Ing. Electromecánico por el I. T. del Istmo

como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

Director de tesis: Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García

Co-Director de tesis: Dr. José Jassón Flores Prieto

Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor Cuernavaca, Morelos, México. 17 de Diciembre de 2009

cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Mecánica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Evaluación del Funcionamiento Térmico de Ventanas Mexicanas Mediante una Cámara de Ambiente Controlado

presentada por

José Alberto Vicente López Ing. Electromecánico por el I. T. del Istmo

como requisito para la obtención del grado de:

Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica

Director de tesis: Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García

Co-Director de tesis:

Dr. José Jassón Flores Prieto Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor

Jurado:

Dra. Yvonne Chávez Chena – Presidente Dr. Jesús Arce Landa – Secretario

M.C. José Manuel Morales Rosas – Vocal Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García – Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, México. 17 de Diciembre de 2009

Dedicatorias

A mi madre Ana López Toledo…

Por haberme dado la vida y porque desde el cielo, me protege.

A mi abuelita Na Julieta Toledo Díaz…

Por su amor, por haberme cuidado, por haber sido padre y madre a la vez, pero sobre todo porque

siempre procuró que nada me faltara.

A mi padre Mariano Vicente Santiago…

Por su amor, preocupación, apoyo incondicional, confianza en mí y por empujarme siempre hacia

adelante.

A mi tía Obdulia López Toledo…

Por su cariño, concejos, enseñanzas y por haberme dado un techo donde vivir.

A mi hermano Jesús Ángel Vicente López…

Por su cariño, apoyo incondicional, por ser el motivo de salir adelante y compartir este proyecto

conmigo.

A mis primos Elvis, Liliana y Julieta Jiménez López…

Por su afecto, comprensión, apoyo y por haber inculcado en mí pensamientos de progreso.

A mi sobrino Jairito…

Porque a su temprana edad me brinda cariño, diversión y la felicidad de verlo crecer.

A lupita…

Por su amor, ternura, confianza, alegría, paciencia, comprensión, motivación y por formar parte

de mi vida.

Agradecimientos

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y a la Dirección General de Educación

Superior Tecnológica (DGEST) por el apoyo económico brindado.

Al Centro Nacional de investigación y Desarrollo Tecnológico (Cenidet) por la formación

académica que me otorgó a través de sus profesores.

Al Laboratorio de Tecnología Solar por las facilidades otorgadas para la realización de esta tesis.

A mis asesores de tesis, Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García, Dr. José Jassón Flores Prieto y

Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor, por brindarme su amistad, así como su apoyo y dedicación

durante el desarrollo de este trabajo. ¡Muchas Gracias!

A los miembros del jurado revisor, Dra. Yvonne Chávez Chena, Dr. Jesús Arce Landa y al M.C.

José Manuel Morales Rosas por sus valiosos comentarios, sugerencias y observaciones durante la

realización y revisión de este trabajo.

A mis compañeros de clase: Ariadna Ortiz, Pablo García, Rony Jiménez, Alejandro Rodríguez,

Efrén Sánchez, Ulises Díaz, Oscar Bautista, César Maza, Roberto Piña, Quirino Estrada por su

amistad, por las experiencias y aventuras que compartimos.

A mis amigos de las otras áreas y demás generaciones: Victor el mecatrónico, Victor Hilario, Iván

Medina, Iván Sosa, Vladimir Reyes, Jaime Hernández, Alejandre Sepúlveda, Lázaro Villa, Lupita

Campero, Gabriel Cuevas, Tannia Renée Jiménez, Víctor Pavón, Abad Guzmán, Juan Antonio Paz

y Rogelio Velásquez gracias por su amistad, por las experiencias y aventuras que compartimos.

A mis compañeros del Laboratorio de Tecnología Solar: Rafael Castillo, Edgar Melo, Karla Aguilar

y Andrés Fidel Martínez por su amistad, apoyo y comentarios durante la realización de esta tesis.

A mis amigos del Instituto de Investigaciones Eléctricas: Félix Loyola, Ariel Paniagua, Felipe

Estrada, Tulio Aguilar, Dr. Roberto Flores por su amistad en especial al Dr. Ulises Cano y al M. C.

Rubén Gutiérrez por la confianza y oportunidad que me brindaron.

A los amigos que tuve la oportunidad de conocer en Cuernavaca: Esperanza (Moresita), Josefa,

Lucia, Cornelio y Jorge gracias por hacer mi estancia más agradable.

Alicia, Perlita y Juan Carlos por su cariño, apoyo y comprensión.

A mi tío Javier Charis López por sus consejos y apoyarme a seguir adelante.

A la señora Emilia López Sánchez por su amistad, apoyo y por abrirme las puertas de su casa.

A mis grandes amigos Eric Pedro Rodríguez, David II Castillejos y Agustín Cabrera por su amistad

y el apoyo que me han brindado.

A todas aquellas personas que olvide mencionar y que de alguna forma u otra contribuyeron en la

realización de este proyecto en mi vida.

Índice

i

Índice

Página.

Lista de Figuras. iv

Lista de Tablas. vii

Nomenclatura. viii

Resumen. x

Abstract. xii

Capítulo 1: Introducción.

1.1 Antecedentes. 2

1.2 Revisión Bibliográfica. 3

1.2.1 Estudios teóricos en ventanas. 3

1.2.2 Estudios experimentales en ventanas. 6

1.2.3 Metodologías para la evaluación de ventanas. 12

1.3 Justificación. 17

1.4 Objetivo. 18

1.5 Alcance. 18

Capítulo 2: Marco teórico de ventanas.

2.1 Transferencia de calor en ventanas. 20

2.1.1 Conducción. 20

2.1.2 Convección. 21

2.1.2.1 Convección natural. 22

2.1.2.2 Convección forzada. 23

2.1.3 Radiación. 24

2.2 Evaluación del factor U. 26

2.3 Ventanas representativas de la República Mexicana. 27

2.3.1 Ventanas de aluminio. 28

2.3.2 Ventanas de fierro. 29

2.3.3 Ventanas de madera. 30

2.3.4 Ventanas de PVC. 31

Índice

ii

Capítulo 3: Experimentación de ventanas representativas de la República Mexicana.

3.1 El aparato tipo Hot Box. 33

3.2 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box. 35

3.2.1 Pérdidas a través de las paredes de la cámara de medición. 37

3.2.2 Pérdidas a través del panel de pruebas. 39

3.2.3 Pérdidas por la interacción ventana-panel de pruebas. 40

3.3 Modelo experimental. 41

3.4 Equipo experimental 42

3.4.1 Sistema de acondicionamiento de la temperatura del aire. 45

3.4.2 Sistema de control y adquisición de datos. 46

3.5 Funcionamiento del aparato tipo Hot Box. 49

3.6 Instrumentación y calibración. 50

3.6.1 Termopares. 50

3.6.2 Deflectores. 51

3.6.3 Panel de pruebas. 53

3.6.4 Soporte para el panel de pruebas. 58

3.7 Procedimiento general de la experimentación. 61

3.7.1 Operación del aparato tipo Hot Box. 63

Capítulo 4: Resultados.

4.1 Caracterización del aparato tipo Hot Box. 66

4.1.1 Caracterización de la cámara de medición. 66

4.1.2 Caracterización del panel de pruebas. 71

4.2 Caracterización de las ventanas representativas de la República Mexicana. 74

4.2.1 Cálculo del Factor U de la ventana de aluminio. 76

4.2.2 Cálculo del Factor U de la ventana de fierro. 78

4.2.3 Cálculo del Factor U de la ventana de madera. 80

4.2.4 Cálculo del Factor U de la ventana de PVC. 82

4.2.5 Comparación de los resultados del flujo de calor. 84

4.2.6 Comparación de los resultados del Factor U. 85

4.2.7 Comparación de resultados experimentales del Factor U de las ventanas

evaluadas con valores reportados en trabajos previos.

86

Índice

iii

Capítulo 5: Conclusiones y recomendaciones.

5.1 Conclusiones. 89

5.2 Recomendaciones. 90

Bibliografía. 91

Lista de Figuras

iv

Lista de Figuras

Figura Descripción Página

2.1 Flujo de calor por conducción: a) vidrio, b) marco. 21

2.2 Flujo de calor por convección: a) vidrio, b) marco. 22

2.3 Radiación solar y flujo de calor por radiación térmica: a) vidrio, b) marco. 24

2.4 Ventana de Aluminio. 28

2.5 Ventana de Fierro. 29

2.6 Ventana de Madera. 30

2.7 Ventana de PVC. 31

3.1 Esquema típico de un aparato tipo Hot Box. 33

3.2 Aparato tipo Hot Box con cámara de guarda. 34

3.3 Aparato tipo Hot Box sin cámara de guarda. 34

3.4 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box. 36

3.5 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box. Pérdidas en las

paredes de la cámara de medición.

38

3.6 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box. Flujo de calor en el

panel de pruebas.

39

3.7 Zona de interacción ventana-panel. 40

3.8 Modelo experimental. 42

3.9 Equipo experimental 43

3.10 Acondicionadores de la temperatura del aire del aparato tipo Hot Box. 45

3.11 Bomba de calor para el acondicionamiento del aire en la cámara de

ambiente.

46

3.12 Sistema de control manual de la temperatura en la cámara de medición. 46

3.13 Fuentes de alimentación de CD regulables para los ventiladores de la

cámara de medición.

47

3.14 Sistema de control eléctrico para la bomba de calor. 48

3.15 Sistema de adquisición de datos para el aparato tipo Hot Box. 49

3.16 Calibración y colocación de los termopares. 50

3.17 Intercambio radiativo térmico del deflector y la ventana. 52

Lista de Figuras

v

3.18 Deflectores de la cámara de medición y de ambiente. 52

3.19 Comportamiento térmico del panel de pruebas. Variación de las placas de

poliestireno.

54

3.20 Comportamiento térmico del panel de pruebas. Variación de la anchura del

marco principal.

54

3.21 Diagrama del armado del panel de pruebas. 56

3.22 Construcción del panel de pruebas. 57

3.23 Panel de pruebas con abertura. 58

3.24 Diagrama del armado del soporte para el panel de pruebas. 59

3.25 Cuerpo principal del soporte. 59

3.26 Construcción de las placas y vigas de respaldo. 60

3.27 Vigas colocadas en la placa superior. 60

3.28 Soporte para el panel de pruebas. 61

3.29 Procedimiento general de la experimentación de las ventanas. 62

3.30 Diagrama de operación del aparato tipo Hot Box. 64

4.1 Comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de medición

durante varios días.

66

4.2 Comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de medición

durante un día.

67

4.3 Esquema de la caracterización de las paredes de la cámara de medición 68

4.4 Caracterización de las paredes de la cámara de medición. Primera prueba. 69

4.5 Caracterización de las paredes de la cámara de medición. Segunda prueba. 69

4.6 Esquema de la caracterización del panel de pruebas. 71

4.7 Panel de pruebas y muestra colocados en el aparato tipo Hot Box. 72

4.8 Caracterización del panel de pruebas. Primera prueba. 72

4.9 Caracterización del panel de pruebas. Segunda prueba. 73

4.10 Condiciones de la caracterización de las ventanas. 75

4.11 Caracterización de la ventana de aluminio. Primera prueba. 76

4.12 Caracterización de la ventana de aluminio. Segunda prueba. 76

4.13 Caracterización de la ventana de fierro. Primera prueba. 78

4.14 Caracterización de la ventana de fierro. Segunda prueba. 78

4.15 Caracterización de la ventana de madera. Primera prueba. 80

4.16 Caracterización de la ventana de madera. Segunda prueba. 80

Lista de Figuras

vi

4.17 Caracterización de la ventana de PVC. Primera prueba. 82

4.18 Caracterización de la ventana de PVC. Segunda prueba. 82

4.19 Comparación de los flujos de calor de la primera y segunda prueba. 84

4.20 Comparación de los Factores U de la primera y segunda prueba. 85

4.21 Comparación de los resultados teóricos y experimentales del Factor U de

ventanas obtenidos en el Cenidet.

86

Lista de Tablas

vii

Lista de Tablas

Tabla Descripción Página

4.1 Resultados de la caracterización de las paredes de la cámara de medición.

Primera prueba.

70

4.2 Resultados de la caracterización de las paredes de la cámara de medición.

Segunda prueba.

70

4.3 Resultados de la caracterización del panel de pruebas. Primera prueba. 73

4.4 Resultados de la caracterización del panel de pruebas. Segunda prueba. 74

4.5 Resultados de la caracterización de la ventana de aluminio. Primera prueba. 77

4.6 Resultados de la caracterización de la ventana de aluminio. Segunda prueba. 77

4.7 Resultados de la caracterización de la ventana de fierro. Primera prueba. 79

4.8 Resultados de la caracterización de la ventana de fierro. Segunda prueba. 79

4.9 Resultados de la caracterización de la ventana de madera. Primera prueba. 81

4.10 Resultados de la caracterización de la ventana de madera. Segunda prueba. 81

4.11 Resultados de la caracterización de la ventana de PVC. Primera prueba. 83

4.12 Resultados de la caracterización de la ventana de PVC. Segunda prueba. 83

4.13 Comparación de los resultados del flujo de calor para las pruebas realizadas. 84

4.14 Comparación de los resultados del Factor U de las pruebas realizadas. 85

Nomenclatura

viii

Nomenclatura

Símbolo Descripción Unidad

Latinas

A Área m2

pC Calor específico a presión constante J/(kg K)

e Longitud de borde de la cámara de medición m

g Aceleración debida a la gravedad m/s2

G Irradiancia 1

h Coeficiente de transferencia de calor W/m2 K

H Altura de la ventana m

k Conductividad térmica W/m K

l Longitud m

L Espesor m

Nu Número de Nusselt 1

q Razón de flujo de calor. W/m2

Q Flujo de calor W

R Resistencia térmica m2 K/W

Ra Número de Rayleigh 1

t Tiempo hr:min:s

T Temperatura oC

U Transmitancia térmica o Factor U W/m2 o

C

sV Velocidad del viento m/s

Griegas

Absortancia 1

Diferencia o gradiente

Emisividad 1

Nomenclatura

ix

Ángulo

Conductividad térmica W/m K

Densidad kg/m3

Constante de Stefan-Boltzmann W/m2 K

4

Transmitancia 1

Viscosidad dinámica Pa·s

Subíndices

a Aire

amb Ambiente

cal Calefactor o calentador

camb Cámara de ambiente

camed Cámara de medición

cond Conducción

conv Convección

d Deflector

ef Efectivo o efectiva

esq Esquina de la muestra o panel

ex Exterior

lab Laboratorio

m Muestra

panel Panel de pruebas

pérd Pérdidas en la cámara de medición

rad Radiación

s Superficie

T Total

V Ventana

vent ventilador

Resumen

x

Resumen

Los problemas de transferencia de calor en los edificios son muy importantes a causa de

que los puentes térmicos en las ventanas, y otros componentes pueden tener efectos significativos

en el desempeño y la comodidad del ocupante. Los puentes térmicos reducen significativamente el

valor de aislamiento y crean gradientes de temperaturas no anticipados que pueden conducir a la

condensación, y otros efectos.

En el presente trabajo se estudia la transferencia de calor en ventanas representativas en

México. En particular se realizó la evaluación experimental de la transmitancia térmica o factor U

de cuatro tipos de ventanas hechas en México utilizando un aparato tipo Hot Box. Para llevar a cabo

la experimentación; primero, se seleccionaron las ventanas de acuerdo al tipo de material del marco

que se utiliza o se ha utilizado en México: aluminio, fierro, madera y PVC. Las ventanas fueron

fijas con vidrios claros de 6mm. Una metodología de caracterización del aparato tipo Hot Box

(cámara de ambiente controlado) y una metodología para la evaluación térmica de ventanas fueron

implementadas. Se establecieron las condiciones de prueba para el clima cálido para realizar la

evaluación de las ventanas.

Las ventanas seleccionadas se evaluaron de acuerdo al procedimiento indicado en la norma

ASTM C 1199. La caracterización de la cámara de medición, se realizó conforme lo establecido en

la norma C 1363 de la ASTM. El aparato tipo Hot Box, localizado en el Laboratorio de Tecnología

Solar, se utilizó mediante la configuración calibrada o sin cámara de guarda. Se diseñó y construyó

un panel de pruebas con soporte para la ubicación de las ventanas dentro de la parte media del

aparato tipo Hot Box. Las condiciones de prueba que se establecieron para determinar el factor U de

las ventanas fueron de la región de clima “Muy Seco” de la República Mexicana con una

temperatura de 24oC para el interior de una habitación y 35

oC para el exterior.

Se obtuvieron los resultados del factor U para los cuatro tipos de ventanas y posteriormente

se realizó un estudio comparativo de los resultados. Se encontró que la ventana de PVC presentó el

valor del factor U más bajo 2.2W/m2 o

C y la ventana de aluminio el valor más alto 6.1W/m2 o

C. Esto

implica que la ventana con marco de aluminio tiene más alta conductancia que las ventanas de

madera y de PVC. Así la ventana con marco de PVC es mejor aislante para edificaciones en climas

cálidos secos, donde aire acondicionado es usado.

Resumen

xi

Finalmente, estos resultados contribuyen con información del funcionamiento térmico de

ventanas, la cual puede ser utilizada en normativas para ventanas para la República Mexicana.

Abstract

xii

Abstract

The problems of heat transfer in buildings are very important because thermal bridges of

windows and other components may have significant effects on the thermal performance and

comfort of the occupants. Thermal bridges reduce significantly the insulation values and create

temperature gradients that can lead to condensation, and other effects.

In the present work, the heat transfer of windows manufactured in México was studied. In

specific, the experimental evaluation of the thermal transmittance, or U-factor, of four types

windows made in México using a Hot Box apparatus was carried out. In order to perform the

experimentation; first the windows were selected considering the type of material for the frame that

is used or have been used in México: aluminium, steel, wood and PVC. The windows were fixed

with clear glasses of 6 mm. A method of characterization of a Hot Box apparatus and a

methodology of thermal evaluation of windows were implemented. Test conditions were

established for warm climates for the evaluation of windows.

The selected windows were evaluated according the standard procedure indicated in the

ASTM C 1199 test method. The characterization of the measured chamber was done using the

standard test method ASTM C 1363. The Hot Box apparatus, located in the Laboratory of Solar

Technology, was used using the calibrated configuration or without guard chamber. A special panel

that holds up the window inside the middle of the Hot Box apparatus was designed and to built. To

determine the U-Factor of the windows, the test conditions were for warm climate of México with a

temperature of 24oC inside the room and 35

oC outside the room.

The U-Factor results were obtained for the four types of windows and afterwards a

comparison study was made. The results indicate that the PVC frame window presented the lower

U-Factor of 2.2 W/m2o

C and the Aluminum frame window had the highest U-Factor of 6.1 W/m2o

C.

That means that aluminum frame window has higher conductance than the wood and PVC frame

window. Thus the PVC frame window insulates better for buildings in warm climate where air

conditioner is used.

Finally, these results give some information about the thermal performance of windows,

which may be used in standards for windows for the Mexican Republic.

Introducción Capítulo 1

1

Capítulo 1

Introducción

En este capítulo se muestra la importancia del estudio de la transferencia de calor en los

marcos de ventanas mexicanas. En la primera parte se ubica el panorama general del problema a

resolver y la revisión bibliográfica, la cual está dividida en estudios teóricos, estudios

experimentales y metodologías para la evaluación de ventanas. Finalmente, en la segunda parte se

detalla la justificación, el objetivo y el alcance de esta tesis.


2

1.1 Antecedentes.

Según el documento de pronunciamiento del cambio climático de las academias de ciencias

del grupo G8+5; en el año 2007, el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático reafirmó

que el cambio climático está ocurriendo ya, y que este calentamiento antropogénico está influyendo

en muchos sistemas, tanto físicos como biológicos. Entre 1906 y 2005, la temperatura global

promedio aumentó en 0.74°C, y en los próximos veinte años se espera otro incremento adicional de

entre 0.2°C y 0.4°C (Academias de Ciencias del Grupo G8+5, 2008). Este cambio climático en el

mundo y el crecimiento de la población, han propiciado en las últimas décadas la búsqueda de

nuevas formas de obtención del confort térmico en espacios. En el mercado existen diversos

sistemas y equipos de acondicionamiento de aire para uso residencial y comercial que poco a poco

han ido saturando el mercado por su creciente demanda, por lo que la exigencia energética se ha

incrementado siendo difícilmente satisfecha en muchos casos (Banda, 2006). En México; según el

Balance Nacional de Energía de 2008, en ese año el consumo de energía del sector residencial,

comercial y público representó el 18.7 % de la energía total consumida en el país, donde el

subsector residencial representó el 83.3 % de dicho sector. Entre los energéticos de mayor consumo

está la leña con 32.8 %; seguido por la electricidad que aportó 22.8 % y el gas seco 4.1 %. El

consumo residencial creció 0.9 % entre 2007 y 2008 (SENER, 2008).

Los problemas de transferencia de calor en los edificios son muy importantes a causa de

que los puentes térmicos en las paredes, las ventanas, y otros componentes pueden tener efectos

significativos en el desempeño y comodidad del ocupante. Los puentes térmicos reducen

significativamente el valor de aislamiento y crean gradientes de temperaturas no anticipados que

pueden conducir a la condensación, y otros efectos. La pérdida o ganancia de calor a través de las

ventanas de un edificio; dependiendo del lugar, puede alcanzar hasta un 50 % de la transmisión total

del calor en el edificio (Svendsen et al. 2005). En una ventana con un área total de 1.2 x 1.2 m2 y

un marco con una anchura de 10 cm, el marco ocupa el 30 % del área total de la ventana. Si el área

se incrementa a 2.0 x 2.0 m2 manteniendo el marco con un espesor de 10 cm, ocupa el 19 %

(Gustavsen et al. 2005).

Los marcos de un sistema de ventana con rendimiento alto de transmisión de calor total

contribuyen hasta un 50 % en la resistencia térmica de la ventana (efecto de puente térmico)

dependiendo del material, geometría y tamaño (Huizenga et al. 1999). A pesar de su importancia,

los problemas de puentes térmicos no se estudian extensivamente.


3

Hoy en día existen diversos equipos para realizar evaluaciones a ventanas, los más

conocidos son los calorímetros que simulan habitaciones a escala y las cámaras de ambiente

controlado Hot Box con o sin termografía infrarroja. Mediante estos aparatos se puede determinar la

transmitancia térmica o factor U, temperaturas de superficie, flujos de calor y coeficientes de

transferencia de calor. Para determinar alguno de estos parámetros, es necesario recurrir a los

métodos y procedimientos estándares adecuados.

En la mayoría de las aplicaciones de edificios en la vida real, el conocer los parámetros de

transferencia de calor en ventanas permite realizar mejoras en los diseños de tal manera que se

incremente el aislamiento que pueden conducir a ahorros de energía importantes.

Así, mediante este trabajo se pretende dar continuidad a los estudios de ventanas

mexicanas; particularmente con las investigaciones del Centro nacional de investigación y

desarrollo tecnológico, enfocándose en los efectos térmicos de los marcos utilizando una cámara de

ambiente controlado (Hot Box) para evaluar los coeficientes de pérdidas y ganancias de calor a

través de cuatro ventanas con distintos tipos de marcos: aluminio, fierro, madera y PVC.

1.2 Revisión bibliográfica.

En esta sección se mencionan los trabajos previos relacionados con los temas de estudios

teóricos en ventanas, estudios experimentales en ventanas y las metodologías para la evaluación de

ventanas.

1.2.1 Estudios teóricos en ventanas.

Arasteh et al. (1994) realizaron un estudio teórico sobre envolventes térmicos de edificios,

en el cual los autores proponen el diseño de una ventana integral que sea de una transmitancia

térmica y un coeficiente de ganancia solar muy bajo. Las características que debe tener la ventana

son marcos de madera ligeros, capaces de soportar vidrios de un tamaño considerable. El área del

marco debe de ser lo más reducido como sea posible para aumentar el área del vidrio; esto permitirá

reducir la transmitancia térmica de la ventana en aproximadamente un 5 % pero la desventaja, es el

incremento de la ganancia de calor solar SHGC cerca de 10 %. Las placas de vidrio deben ser

dobles con cavidades aisladas de un material aislante o algún gas; se recomienda el argón. Para


4

reducir la ganancia de calor solar se sugiere adicionar películas de protección a las placas de vidrio.

Se observa que las ventanas son envolventes térmicos muy complejos y que se requiere de un

estudio de acuerdo a la región geográfica donde se utilicen, especialmente los marcos en cuanto a

tamaños adecuados, espesores y configuraciones geométricas para mejorar su rendimiento.

Gustavsen et al. (2001A) presentaron un trabajo teórico y experimental de la transferencia

de calor en marcos de ventanas. En el estudio se evaluaron dos marcos cuadrados, dos perfiles

verticales y dos horizontales de PVC (Cloruro de Polivinilo), de 800 mm. El análisis teórico

consistió en la simulación del flujo de calor en el interior de los perfiles utilizando el programa

FLUENT. Para el estudio numérico se contempló el problema para el fluido incompresible aire, en

estado transitorio y en tres dimensiones. Se asumió el flujo como laminar y propiedades constantes;

sin embargo, se consideró la aproximación de Boussinesq para las pruebas. Se utilizaron las

ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía. Se tomó en cuenta que la

transferencia de calor en las regiones sólidas del marco es por conducción. La experimentación se

llevó a cabo empleando un aparato tipo Hot Box, midiendo los campos de temperatura con

termografía infrarroja en la superficie de los marcos, y de acuerdo a los procedimientos indicados

en las normas ASTM C 1199 e ISO 1998. Las condiciones de temperatura controlada para la

cámara de medición se establecieron a 20oC y para la ambiente a 0

oC (No se indicó el nivel de

incertidumbre). En el experimento, las muestras se colocan entre ambas cámaras, con un panel de

poliestireno extrudido en lugar del vidrio, se sellan con silicón y una capa de pintura negra con 0.9

de emisividad. Se analizaron únicamente los efectos de transferencia de calor en las muestras; por lo

cual en lugar de vidrios se utilizó poliestirero para cubrir los espacios vacios en los marcos

cuadrados. La incertidumbre en las mediciones con la técnica de imágenes infrarrojas fue de

± 0.5oC. Comparando los resultados del análisis teórico con los resultados de la experimentación de

los perfiles verticales y horizontales, la variación en los resultados fue mínima; sin embargo para los

marcos cuadrados se presenta una diferencia significativa. Esto se debe a que no todas las

características de los modelos pueden ser representados en los experimentos.

Gustavsen et al. (2001B) presentaron un trabajo teórico y experimental de la transferencia

de calor por convección natural en marcos de ventanas. En el estudio se evaluaron dos marcos de

cuadrados, dos perfiles verticales y dos horizontales de PVC (Cloruro de Polivinilo) y de aluminio

con rotura térmica de 800 mm. El análisis teórico consistió en la simulación tridimensional del flujo

de calor en el interior de los perfiles utilizando el programa FLUENT y bidimensional para

THERM. Para el estudio numérico se contempló el problema para el fluido incompresible, aire en


5

estado transitorio y en tres dimensiones. Se asumió el flujo como laminar y propiedades constantes;

sin embargo, se consideró la aproximación de Boussinesq para las pruebas. Se utilizaron las

ecuaciones de continuidad, cantidad de movimiento y energía. Se tomó en cuenta que la

transferencia de calor en las regiones sólidas del marco es por conducción. Durante las simulaciones

se establecieron las condiciones de la habitación a 20oC y para el ambiente a 0

oC. La

experimentación se llevó a cabo empleando un aparato tipo Hot Box, midiendo los campos de

temperatura con termografía infrarroja en la superficie de los marcos, y de acuerdo a los

procedimientos indicados en las normas ASTM C 1199 e ISO 15099. Además de la temperatura de

superficie de los marcos, se determinó el factor U en los marcos. De los resultados obtenidos se

observó que se encontraron variaciones significativas de la transferencia de calor en las esquinas de

los marcos.

Noyé et al. (2004) realizaron el cálculo de la transmitancia y resistencia térmica de perfiles

de marcos de ventanas utilizando dos tipos de materiales: aluminio y PVC (Policloruro de vinilo)

los cuales contienen cavidades en su interior. Las mediciones experimentales se llevaron a cabo de

acuerdo a la norma DIN 52619. Los perfiles fueron colocados en una habitación dividida en dos

secciones: una con temperatura cálida y la otra con el clima acondicionado. Los cálculos numéricos

de los coeficientes de transferencia de calor se realizaron utilizando el programa THERM mediante

las normas ISO 10077-2 e ISO 15099. Se modeló el intercambio radiativo y convectivo de los

perfiles de forma separada considerando dos casos: En el primero se tomó en cuenta la norma

ISO 10077-2 en ambos modelos; y en el segundo, se utilizó la norma ISO 10077-2 para el

convectivo e ISO 15099 para el radiativo. Se determinó que utilizando ISO 15099 los resultados

numéricos son más cercanos a las mediciones experimentales.

Medina (2008) realizó un estudio teórico de la transferencia de calor en ventanas con

diferentes tipos de marcos. El trabajo consistió en evaluar térmicamente dos ventanas de aluminio,

una abatible con marcos de 69.42 mm de alto y otra fija con marcos de 48.7 mm, en ambas se

utilizó un vidrio claro de 6 mm. Las dimensiones de las muestras son de 1.2 m de alto por 1.5 m de

ancho. Las propiedades de los materiales utilizados para la caracterización de los marcos de las

ventanas fueron obtenidas de la norma NFRC 101. El análisis teórico se llevó a cabo utilizando el

programa THERM que está basado en la técnica de elemento finito y en los procedimientos

establecidos en la norma ISO 15099:2003. Las simulaciones se realizaron tomando en cuenta que la

temperatura máxima del cuarto fuera de 24oC y la mínima de 21

oC. Para las condiciones ambiente

se consideraron las características climáticas máximas y mínimas de las seis regiones de México. Se


6

analizaron las áreas del marco, los bordes y el centro del vidrio. Se encontró que para la zona

climática muy seca, la contribución del marco de ventana abatible es de 22.63 % del factor U total,

mientras que, el marco de ventana fija el aporte fue del 17.88 % al factor U total de dicha ventana.

Se observa que en los bordes donde se une el vidrio y el marco tienen un factor U similar, lo que

evidencia la trasferencia de calor del marco hacia el vidrio.

1.2.2 Estudios experimentales en ventanas.

Bowen and Solvason (1987) realizaron un trabajo experimental para la evaluación de la

transferencia de calor en superficies con distintos tipos de placas de vidrios. Las muestras

evaluadas fueron placas de vidrio doble y triple con un espaciado en el interior de 6 y 13 mm,

además de un vidrio doble de 11 mm rellenado con poliestireno expandido. El tamaño de las

muestras fue de 1.0 m por 1.6 m y de 1.0 m por 0.8 m. Los autores diseñaron y construyeron un

aparato tipo Hot Box siguiendo las recomendaciones de la DBR (División de Investigación en

Edificios) de Canadá. En la cámara de medición se acopló una caja calorimétrica con una placa a

temperatura constante cerca de la superficie de las muestras para determinar como ocurre el

fenómeno de transferencia de calor. La temperatura nominal en la cámara de medición fue de 21oC

y en la cámara ambiente fue de - 7, - 21 y - 35oC. Las temperaturas de superficie y los flujos de

calor a través de los vidrios se midieron, también se determinó la diferencia de temperaturas entre

los extremos de la vertical central de la placa calentada. En los resultados se observa que se tuvo

que adaptar una caja especial en el interior del aparato Hot Box para determinar las características

de la transmisión de calor en los diferentes tipos de vidrios utilizados.

Elmahdy and Bowen (1988) reportaron los resultados teórico-experimentales de las

mediciones de resistencia térmica realizadas a placas de distintos tipos de vidrio. Las placas fueron

de vidrio doble claro con y sin película de baja emisividad, vidrio triple claro con y sin película de

baja emisividad y a un vidrio doble sin sello hermético. Las dimensiones de las placas fueron de

1.0 m de largo por 1.6 m de alto, 0.8 m de ancho por 1.0 m de alto y de 1.0 m de largo y alto. La

parte teórica se realizó utilizando el programa VISION del NRCC (Consejo de investigación

nacional de Canadá). Para la realización de las pruebas se utilizó un aparato tipo Hot Box siguiendo

con los procedimientos especificados por el IRC (Instituto para la Investigación en Construcciones)

de Canadá y la norma ASTM C 177. Para determinar la resistencia térmica se recurrió a la medición

de la conductancia térmica de las placas. La temperatura promedio en la cámara de medición fue de


7

21oC. En la cámara ambiente se utilizaron temperaturas promedio de - 7, - 21 y - 35

oC y algunas

ventanas fueron probadas a - 14, - 18 y - 28oC. La diferencia de presión en las muestras fue menor

que 3 Pa. Las ventanas se colocaron sobre un panel circundante de poliestireno expandido. La

incertidumbre en la medición de la conductancia térmica fue de ± 6 %. Los autores determinaron

que al aumentar el tamaño de una muestra, la resistencia térmica se incrementa en la misma

proporción. Se puede observar en el estudio, que los autores no se enfocaron a evaluar las pérdidas

o ganancias de calor debidas a los separadores herméticos.

Griffith et al. (1995) presentaron un trabajo experimental donde se propone un método no

invasivo para la medición de temperaturas en superficies de envolventes térmicos de edificios. Se

evaluaron dos muestras de 910 mm de largo y alto formadas con dos hojas de vidrio una separada

por espuma de poliestireno expandido y la otra por una cavidad de aire. Para la experimentación se

utilizó un aparato tipo Hot Box siguiendo con los procedimientos especificados en las normas

ASTM C 1199, C 1060 y C 1153. En la cámara de medición se alcanzó una temperatura estable de

21.1oC con una velocidad del aire de 0.3 m/s y en la ambiente de 17.8

oC a 3.7 m/s. El nivel de

incertidumbre en las cámaras fue de ± 0.5oC. Las muestras se colocaron en un panel circundante de

poliestireno de 1.3 m de largo por 1.6 m de alto ubicado en la abertura de la cámara de medición. La

técnica no invasiva consistió en colocar cerca de la muestra un emisor de referencia con una

incertidumbre de ± 0.04oC para poder medir las temperaturas de superficie utilizando un dispositivo

termográfico con un rango de precisión de ± 2oC o 2 %. Se realizaron pruebas en distancias de 1.5 a

4 m con incrementos de 0.5 m entre la muestra y el dispositivo termográfico. Se concluyó que

utilizando los emisores de referencia se mejora la incertidumbre en las mediciones de temperatura

hasta ± 0.5oC. De los resultados obtenidos, se observa que el aumento en el nivel de la

incertidumbre puede ser debido a la emisividad de las superficies de referencia, tamaño de la

muestra y la distancia con respecto al dispositivo termográfico.

Beck et al. (1995) reportaron una serie de pruebas experimentales de transferencia de calor

realizadas en placas de vidrio. La experimentación se realizó en dos fases; en la primera fase se

midieron las temperaturas de superficie y los coeficientes de transmisión térmica en placas de vidrio

doble de 35.5 cm de largo por 50.8 cm de alto con separadores de acero y poliestireno. En la

segunda fase se midió la transmitancia térmica y el campo de temperaturas en placas de vidrios

doble y triple, de 40.6 cm de largo por 61.0 cm de alto con aislamientos de aire y argón. Para la

realización de las pruebas se utilizó un aparato tipo Hot Box con medición de campos de

temperatura por termografía infrarroja de acuerdo con la metodología indicada en la norma ASTM


8

C 1199. En la cámara de medición la temperatura se estableció a 21.1 ± 0.2oC y en la ambiente a

- 17.8 ± 0.1oC. Las muestras evaluadas se colocaron en un panel circundante de poliestireno de

1.3 m de largo por 1.6 m de alto. La experimentación se llevó a cabo por las noches. La

incertidumbre en las mediciones con la técnica de imágenes infrarrojas fue de ± 0.5oC. Siguiendo

con los procedimientos establecidos en la norma C 1199 se evaluaron las muestras con una gran

precisión. De los resultados obtenidos mediante el uso del dispositivo en la medición de los campos

de temperatura, se observa que pueden ser usados para generar códigos de cómputo en 2 o 3

dimensiones que permitan analizar la transferencia de calor en ventanas.

Meo et al. (1998) presentaron un trabajo de investigación teórico y experimental acerca del

desempeño térmico de marcos de acero y madera en viviendas. Los autores indican que el mejor

indicador del rendimiento térmico de un ensamble de edificio es el valor de la resistencia térmica de

este. Para determinar la resistencia térmica se basaron en el modelo de código de energía nacional

de Canadá (MNEC-1995), el cual establece tres formas para el cálculo de la resistencia térmica que

son mediante cálculos manuales, modelado computarizado y pruebas físicas. El cálculo manual lo

realizaron considerando la combinación de la resistencia del enmarcado y la resistencia de los

espacios entre los miembros placa-enmarcado en proporción al área ocupada por cada componente.

Para el modelado se ha utilizado el programa FRAME para simulaciones en dos dimensiones el

cual se basa también en el código MNEC-1995. En la simulación numérica se utilizan las

condiciones de frontera a ensambles de placas opacas con enmarcados de acero de 92 mm de largo

con 41 mm de ancho y madera de 89 mm de largo por 38 mm de ancho. Las dimensiones de las

muestras para las simulaciones fueron tomadas de las pruebas experimentales realizadas. En la

experimentación se utilizó la técnica de medición por termografía infrarroja mediante una cámara

AGEMA de termovisión 470 y las pruebas se realizaron en Toronto Canadá en el mes de febrero de

1997 en días con un nivel promedio de temperatura de 18oC. Los autores concluyeron que la

resistencia térmica de los marcos de acero depende de las dimensiones, geometría y su formación y

no sólo de la conductividad térmica del material. Mediante las simulaciones encontraron que las

placas con marcos de acero tienen la resistencia térmica similar que los ensambles tradicionales sin

necesidad de aislamiento adicional. Se puede observar que mediante la metodología utilizada en

este trabajo se logró evaluar de manera satisfactoria los marcos de componentes de edificios.

Además mediante la termografía infrarroja pudieron identificar áreas locales donde ocurre la

transferencia de calor en los ensambles.


9

Griffith et al. (1998) propusieron una técnica experimental para evaluar térmicamente

ventanas considerando los campos de temperatura y velocidades en la capa límite en la superficie de

una muestra. La técnica consistió en utilizar la metodología de la norma ASTM C 1199,

asistiéndose con un sistema de posicionamiento, una cámara de ambiente controlado tipo Hot Box,

y una cámara infrarroja para la medición del campo de temperaturas en la superficie de la muestra.

En el experimento se utilizó una muestra patrón de espuma de poliestireno expandido cuadrada de

912 mm y otra muestra fue una ventana hecha con marcos de madera y doble vidrio de baja

emisividad de 916 mm de alto por 525 mm de largo con una anchura de 115.1 mm. Las

temperaturas del aire en las cámaras de medición y ambiente se midieron con termómetros de

resistencia de platino de cuatro hilos. En el Hot Box se tuvieron las condiciones en estado estable

después de 12 horas, la temperatura en la cámara de medición se mantuvo a 21.1oC y en la cámara

ambiente a - 17.8oC, con variaciones de ± 0.1

oC. Las mediciones de temperatura y velocidad del

aire en la capa límite se realizaron utilizando termopares tipo T y un anemómetro de hilo caliente

respectivamente. El sistema de posicionamiento presentó una incertidumbre de ± 0.2 mm en

dirección horizontal de ± 0.4 mm en dirección vertical. Los autores concluyen que la técnica

propuesta es aplicable para la validación de modelos teóricos de elementos de edificaciones. De este

artículo se puede observar que mediante el Hot Box se pueden implementar otras técnicas para

evaluar el comportamiento térmico de componentes de edificaciones.

Griffith and Arasteh (1999) presentan un trabajo teórico-experimental de transferencia de

calor en componentes de edificios. Se enfocaron en el estudio de tres ventanas, dos placas de vidrio

con aire como aislante y una muestra patrón hecha de poliestireno expandido con dos hojas de

vidrio. Las dimensiones de las dos primeras fueron de 508 mm de alto por 406 de ancho y para la

tercera fue de 914 mm de alto por 610 mm de ancho. El estudio teórico consistió en simular el flujo

de calor a través de las muestras mediante el programa FEA. La experimentación se llevó a cabo

utilizando un aparato Hot Box considerando las condiciones ambientales de invierno recomendadas

en el libro de ASHRAE transactions, 1996. La temperatura estable alcanzada en la cámara

infrarroja fue de 21.1oC y en la cámara ambiente de 17.8

oC. En la cámara de medición se

colocaron dos dispositivos termográficos para la captura de imágenes térmicas y un emisor de

referencia, cinco ventiladores para el enfriamiento y recirculación del aire y tres calentadores de

hoja plana. Las dimensiones de la cámara de medición son de 2.1 m de alto por 1.4 m de ancho y

una profundidad que puede variar de 0.9 a 4.2 m. En la cámara ambiente se colocó un ventilador, un

serpentín enfriador y un calentador de hoja plana. Se colocaron termopares sobre las superficies de

las muestras para la medición de las temperaturas, con una incertidumbre de ± 0.1oC. La


10

incertidumbre en las mediciones utilizando la técnica de la termografía infrarroja fue de ± 0.5oC.

Los autores concluyeron que comparando los resultados de las simulaciones realizadas y las

mediciones de temperatura con termopares, la técnica de medición de la temperatura con

termografía infrarroja proporciona una gran precisión en las mediciones de temperatura en sistemas

de ventanas. Se puede observar que la incertidumbre en las mediciones con termopares es menor y

que se utilizó para validar los resultados obtenidos del escaneo térmico de las muestras.

Álvarez et al. (2000) presentaron un trabajo experimental de la transferencia de calor en

ventanas utilizando un calorímetro que simula una habitación a escala y un simulador solar hecho

con lámparas de TungstenoHalojeno de 1000 Watts. Las pruebas se realizaron utilizando 4 tipos de

vidrios: claro de 3 y 6 mm, filtrasol y reflactasol de 6 mm. Las dimensiones del calorímetro son

0.50 x 0.50 x 0.50 m. La cámara de prueba consta de una pared frontal donde se colocan las

muestras a evaluar, el fondo contiene una placa absorbedora de cobre con una cubierta aislante, las

paredes restantes son de acrílico con un espesor de 0.012 m aisladas con lana de vidrio. Los bordes

han sido pintados de negro para obtener una baja emisividad. En el interior se colocaron 24

termopares del tipo T36. La temperatura del ambiente en el interior de la cámara fue acondicionado

con un sistema de refrigeración para determinar las pérdidas o ganancias de energía. Al realizar las

pruebas se colocó el calorímetro enfrente del simulador solar. Se determinaron las eficiencias

térmicas (η) y los coeficientes de sombreado (SC), además se midió la temperatura en el interior del

recinto y de los vidrios. En este trabajo se utilizó un marco de pruebas hecho de madera de 0.05 m

de espesor; sin embargo no se consideró su contribución en la transmisión de calor al interior de la

cámara ni el efecto sobre los vidrios.

Rose and Svendsen (2004) realizaron mediciones en estado permanente de la transmitancia

térmica de placas ligeras mediante un aparato Hot Box. Las pruebas se realizaron siguiendo los

procedimientos especificados en la norma ISO 8990 y la práctica prEN 1946. La cámara de

medición tiene un área de 2.16 m2. En la cámara de medición se utilizó un controlador simplificado

PID alcanzando una temperatura estable de 20.55oC. En la cámara ambiente la temperatura fue de

0oC con 0.5 % de diferencia de la temperatura global. Las resistencias de superficie son conservadas

en valores aproximados de 0.04 m2K/W en el lado ambiente y 0.13 m

2K/W del lado de la cámara de

medición. Se hicieron mediciones con placas ligeras de 2.85 m de alto y 1.80 m de ancho hechos de

yeso a dos capas de 9 y de 13 mm y de lana mineral a dos capas de 100 mm. A las placas se les

adicionó en el interior vigas de acero y madera con distintas geometrías. Se realizaron pruebas con

una muestra de referencia para la calibración del Hot Box y posteriormente se colocaron los


11

especímenes a medir. En los resultados se muestra que se obtuvo satisfactoriamente el valor de la

transmitancia térmica de 9 muestras medidas. El modelo teórico que desarrollaron los autores es

muy eficiente y preciso, lo que se reflejó en la comparación de los resultados obtenidos de forma

teórica con los resultados experimentales donde se obtuvo una diferencia de 1.4 % a 2.1 %. Como

lo indica la práctica prEN 1946 el error esperado en los resultados es menor a 3 %.

Yarbrough et al. (2006) presentaron un trabajo teórico-experimental sobre la influencia en

el desempeño térmico de elementos estructurales en placas. Las estructuras analizadas son de

madera y acero con distintas configuraciones y rellenadas con fibra de vidrio para formar las placas

de 2.43 m de alto y largo. El factor de enmarcado de las estructuras (porcentaje que ocupan los

ensambles del área total de las placas) fue del 24 al 27 %. El estudio teórico se realizó utilizando el

Software Heating 7.3, el cual utiliza el método de diferencias finitas para resolver el modelo

matemático. La parte experimental se realizó utilizando un aparato Hot Box de acuerdo con la

metodología establecida en la norma ASTM C 1363. La temperatura en la cámara de medición

durante las pruebas fue alrededor de 37.77oC y para la cámara ambiente 10

oC. La diferencia de

temperaturas a través de las superficies de las muestras durante los experimentos fue entre 4.44oC y

7.22oC. La comparación de los resultados teóricos con los experimentales fue alrededor del 5 %, y

esta diferencia se consideró satisfactoria. Los autores concluyeron que las placas con estructura de

acero son más sensibles (disminuyen o aumentan la resistencia térmica del conjunto) que las de

madera. Con lo anterior, se puede observar que utilizando la metodología de la norma ya

mencionada y el desarrollo experimental se puede evaluar de manera confiable el factor de

enmarcado de placas con estructuras.

Banda (2006) realizó un estudio experimental de la transferencia de calor por convección

natural en una pared vertical que simula la superficie calentada de un vidrio de ventana. Para la

realización de las pruebas desarrolló dos dispositivos, en el primero no consideró un control sobre la

temperatura ambiente; para minimizar variaciones en los resultados, las pruebas se realizaron dentro

de un laboratorio en horario nocturno, se midió el perfil de temperaturas local utilizando un

termopar calibre 36 posicionado por un mecanismo en dos direcciones: vertical y horizontal. El

segundo dispositivo experimental consistió en un aparato tipo Hot Box el cual mantiene la

temperatura ambiente al interior constante con ± 1oC. El dispositivo está dividido en dos cámaras de

ambiente controlado. Las cámaras son llamadas cámara de medición y de ambiente, cada una cuenta

con tres compartimientos, el principal donde se simula las condiciones de habitación o del

ambiente, un piso y techo falso donde se controla la temperatura ambiente del compartimiento


12

principal. El aire a mayor temperatura se eleva por efecto de la densidad e ingresa al

compartimiento superior, un dispositivo acondicionador remueve el calor excedente del aire y lo

retorna al compartimiento principal; análogamente el aire a menor temperatura desciende por

densidad al compartimiento inferior donde otro dispositivo de acondicionamiento le cede energía

para que retorne al compartimiento principal a la misma temperatura que el aire proveniente del

compartimiento superior. La instrumentación del Hot Box se realizó de acuerdo a la metodología

establecida por la norma ASTM C 136305. Se midieron los perfiles de temperaturas en la capa

límite térmica utilizando una técnica de termopares. También se midieron los coeficientes locales

convectivos (h) con una incertidumbre promedio de ± 5 %. Se observa en este estudio que el autor

sólo se enfocó en el análisis del vidrio y no de los marcos de ventana; sin embargo este trabajo es

uno de los más importantes debido a que se detalla toda la instrumentación del aparato Hot Box y su

funcionamiento.

1.2.3 Metodologías para la evaluación de ventanas.

La NFRC en el año 1997 presentó la norma NFRC 100, en la cual se establecen los

principios para el cálculo de la transmitancia térmica (factor U) de sistemas envolventes en edificios

mediante simulación. Esta metodología plantea una serie de aspectos generales y requerimientos

que deben tener las muestras. En los requerimientos, establece que la ventana debe evaluarse

considerando de manera separada el área de los marcos, los bordes, la parte intermedia y el centro

del vidrio. Para propósitos de comparación en los resultados del cálculo del factor U, se presenta

una tabla para dos modelos de sistemas de ventana, residencial y no residencial, con las

dimensiones y tipos de aperturas para comparar ventanas de un tamaño en específico. Para la

validación de los resultados se debe de utilizar una muestra de referencia con un factor U de

0.57 W/m2o

C o que sea 20 % menos que la muestra medida. La transmitancia térmica se debe

calcular mediante la suma de cada uno de los factores U multiplicados por el área correspondiente a

cada sección de la ventana y divididos por el área total. Se indica que la diferencia entre los

resultados de las simulaciones y la experimentación deben de tener una diferencia no mayor del

10 %.

La ISO en el año 1999 publicó la norma ISO 12567, en la cual se muestran los

procedimientos para determinar el desempeño térmico de envolventes de edificios utilizando un

aparato tipo Hot Box. Mediante este método se evalúa la transmitancia térmica y el flujo de calor en


13

ventanas. Las muestras se colocan sobre un panel circundante entre la cámara de medición y

ambiente. El Hot Box se caracteriza de acuerdo a la norma ISO 8990, el flujo de calor en la abertura

de la cámara de medición se determina considerando el flujo de calor en el panel circundante, a

través y a los costados de la muestra colocada en el panel. Para el cálculo de la transmitancia

térmica se determina el flujo de calor a través de la muestra y se divide con la diferencia de las

temperaturas promedio de las cámaras de medición y ambiente. Este estándar contiene diversos

anexos en donde se específica la construcción y calibración del panel circundante, la colocación de

la muestra a medir; así como la ubicación de los termopares en las superficies de todo el conjunto

panel-muestra. Además, en esta norma se incluye un ejemplo de prueba de calibración del panel de

montura y la evaluación de una ventana de PVC. Esta metodología es el equivalente a la

ASTM C 1199.

La ASTM en el año 1999 presentó la práctica E 1423-99, donde se muestra un

procedimiento para determinar la transmitancia térmica y la transmitancia térmica estandarizada de

ventanas. En la práctica se indican a detalle los tamaños, la colocación y las condiciones de prueba

nominales para evaluar ventanas y puertas de edificios utilizando un aparato tipo Hot Box y de

acuerdo a la metodología establecida en la norma ASTM C 1199. Para la realización de las pruebas,

la práctica sugiere que la temperatura promedio en la cámara de medición debe ser de 21oC y en la

cámara ambiente de 18oC, con una incertidumbre de ± 1

oC en ambas cámaras. La muestra se debe

colocar en el panel circundante, de tal manera que este centrada en el área de medición, fijada en el

plano paralelo a las superficies y alineada en ambos lados. La instalación de la muestra debe

permitir el espacio suficiente para colocar los instrumentos de medición necesarios durante las

pruebas. Para propósitos de comparación, durante la calibración de la muestra patrón, el coeficiente

de transferencia de calor de superficie del lado de la cámara de medición debe ser hCTSh= 7.0 W/m2K

más el 10 % de tolerancia (de 7.0 a 7.7 W/m2K), mientras que para el lado de la cámara ambiente

debe ser de hCTSh= 29.0W/m2K con menos el 10 % de tolerancia (de 26.0 a 29.0 W/m

2K). Sí la

muestra no cubre completamente la abertura del panel circundante, el espacio faltante tendrá que ser

cubierto con un material de conductancia similar al panel. Los contornos de la muestra deben

sellarse para minimizar la filtración de aire y la diferencia de presiones a través de la muestra deberá

ser igual. En el caso de existir filtraciones de aire, que atiendan razones de diseño, se recomienda

caracterizarlas, utilizando alguno de los procedimientos indicados en las prácticas ASTM E 283,

E 783 y E 1424.


14

La ASTM en el año 2000 estableció la norma C 1199-00, en la que se presenta un método

de prueba para determinar el desempeño térmico en estado estable de sistemas vidriados instalados

verticalmente. En la determinación del rendimiento térmico se evalúa la transmitancia térmica o

factor U, y la transmitancia térmica estandarizada Us mediante la ecuación de enfriamiento de

Newton. El flujo de calor a través de la muestra y las temperaturas en ambos lados se determina

utilizando un dispositivo denominado Hot Box, de acuerdo al estándar ASTM C 1363-05. Debido a

que las muestras, en muchos de los casos, tienen dimensiones menores que la apertura de la cámara

de medición, se utiliza un panel circundante a la muestra, que debe cumplir con las dimensiones

especificadas en NFRC 100-97 o en la práctica E 1423. Una vez caracterizado el Hot Box de

acuerdo a ASTM C 1363-05 se determinan los flujos de calor a través de sus paredes y uniones

(QmW+Qfl). El panel circundante se construye con tres láminas, la lámina central se constituye con

un material aislante de al menos 10 cm de espesor, a los costados se ubican dos hojas plásticas.

Una vez que se determina el flujo de calor a través del panel circundante Qsp, bajo las condiciones

de prueba preestablecidas, se le realiza la abertura necesaria para colocar la muestra a medir.

Posterior a esto, se coloca el panel circundante con la muestra entre las dos cámaras del Hot Box

para la evaluación del conjunto. Finalmente, el flujo de calor a través de la muestra se obtiene

considerando un balance de energía de QmW , Qfl, Qsp y Qs. Adicionalmente, se presentan dos

metodologías para evaluar la transmitancia térmica estandarizada, la cual se utiliza para la

comparación de resultados. Los métodos consisten en evaluar una muestra patrón; para el primero

se consideran las temperaturas de superficie en ambos lados de la muestra medidas directamente de

acuerdo a la práctica E 1423 considerando el área del espécimen y el área de medición de

temperaturas y el segundo considera las temperaturas de superficie equivalentes solamente.

La ASTM en el año 2000 presentó la práctica E 1424-00, en la cual se específica un

procedimiento para determinar las fugas de aire en envolventes de edificios. En la práctica se indica

la colocación y las condiciones de prueba para caracterizar las fugas de aire en ventanas utilizando

un aparato tipo Hot Box. La muestra se debe colocar en la abertura de un panel circundante libre de

residuos y polvo. Los contornos deben ser rellenados con el mismo material del panel circundante y

sellarse con cinta adhesiva o masilla. Posteriormente, del lado de la cámara ambiente se tiene que

cubrir toda la abertura del panel con una hoja de plástico de 0.1 mm. Se debe realizar una primera

prueba para medir las fugas de aire irregulares. Después, se realiza una segunda prueba cubriendo

toda la abertura del panel del lado de la cámara de medición con una hoja de plástico de 0.1 mm.

Durante las pruebas la muestra no deberá ser expuesta a condiciones de temperatura y presión

diferenciales por periodos mayores de 5 minutos. Los instrumentos de acondicionamiento del aire


15

en las cámaras deberán mantener un nivel de incertidumbre de ± 1oC en la temperatura. Los

aparatos para la medición de la presión deben tener un nivel de error de ± 2 %. Se debe de controlar

la humedad relativa con una incertidumbre de ± 3 %. Las pruebas se deben de realizar en

condiciones de estado estable, preferentemente en las que se mida la transmitancia térmica de la

muestra.

La ISO en el año 2000 publicó norma ISO 10077-1, donde presenta una metodología para

el cálculo del factor U de ventanas de forma simplificada. La norma plantea las características

geométricas de una ventana típica compuesta por un marco y un vidrio. Para el cálculo del factor U

de una ventana sencilla se debe considerar el área del marco, el centro y los bordes del vidrio. En

cada una de las áreas es necesario determinar el factor U respectivo; en el borde del vidrio se

determina la transmitancia térmica lineal (g). Posteriormente se suman todos los factores U

multiplicados por el área correspondiente y se dividen entre el área total de la ventana para obtener

el factor U total. También se muestran las ecuaciones para determinar el factor U de ventanas

dobles y acopladas. La norma contiene nueve anexos entre los cuales se encuentra el anexo D donde

se muestran tablas y gráficas del factor U para marcos metálicos, de plástico y de madera con

diferentes tipos de perfiles. En el anexo E se encuentra una tabla de valores de g para diversos

tipos de marcos y vidrios. Por último en el anexo F se muestran dos tablas de los valores típicos

calculados del factor U para marcos y vidrios por el método de esta norma con la ayuda de los

coeficientes de transmisión térmica lineal del anexo E. Los valores obtenidos son para las ventanas

cuya área del marco representa el 20 y 30 %, para otros porcentajes de área de marco, estos pueden

ser evaluados por medio de las ecuaciones planteadas por esta norma. Este método permite

determinar de una manera rápida una aproximación del factor U de una ventana real.

La ISO en el año 2003 publicó la norma ISO 15099, en el cual se muestran los

procedimientos para el cálculo del factor U de envolventes térmicos de edificios mediante el uso de

programas de cómputo. Este estándar indica cada una de las partes que conforman una ventana. Los

componentes principales son los marcos y el vidrio la cual se divide en dos secciones; el centro y la

línea del vidrio. Para determinar el factor U total, se determina el área de cada componente y la

transmitancia térmica correspondiente. Posteriormente, se suman todos los factores U multiplicados

por las áreas respectivas y se dividen entre el área total de la ventana. Para el cálculo del factor U

del marco es necesario considerar la geometría, las cavidades y la dirección del flujo del aire entre

otros. También, para el cálculo del factor U del vidrio, se considera si contienen algún tipo de

aislamiento y cavidades. Además se incluyen dos condiciones estándar para evaluar ventanas, para


16

condiciones de verano Tin= 25oC y Tex= 30

oC e invierno Tin= 20

oC y Tex= 0

oC. Este método incluye

las ecuaciones para abordar los efectos de transferencia de calor convectivo y radiativo en los

marcos y vidrios de ventanas.

La ASTM en el año 2005 publicó la norma C 1363, la cual establece los principios para el

diseño de un Hot Box y los requerimientos mínimos para la determinación del desempeño térmico

en estado estable de ensambles de componentes de edificios bajo condiciones de laboratorio. En la

determinación del rendimiento térmico se evalúa la transmitancia térmica o factor U, la resistencia

térmica R y la conductancia térmica C, mediante la ecuación de enfriamiento de Newton. El flujo

de calor a través de la muestra y las temperaturas en ambos lados se determinan utilizando un

dispositivo denominado Hot Box, también en esta norma se indica el procedimiento para su

caracterización. El Hot Box se compone de dos cámaras, una simula las condiciones de habitación

(cámara de medición) y la restante simula las condiciones ambientales (cámara climática), entre las

dos cámaras se coloca prensado el espécimen de prueba. En el caso de que la muestra sea más

pequeña que la abertura de la cámara de medición, se puede complementar de un panel envolvente,

con el fin de cerrar el espacio entre las dos cámaras. El panel envolvente se evalúa térmicamente de

la misma forma como se evalúa la muestra sí tuviera las mismas dimensiones de la apertura de la

cámara de medición. En ambas cámaras del Hot Box es posible controlar las velocidades del aire, la

humedad relativa y la temperatura, por lo que la metodología puede ser aplicada a condiciones de

prueba preestablecidas.

De la revisión bibliográfica puede concluirse que:

La transferencia de calor en marcos de ventana es un tópico de investigación a nivel

internacional.

En los trabajos experimentales con relación a sistemas de ventanas, sólo algunos consideran

el marco y el vidrio, se han realizado más estudios para placas de vidrio rellenadas con

algún gas y con separadores de diversos materiales.

Según lo reportado, los marcos contribuyen hasta un 50 % en la resistencia térmica de la

ventana dependiendo del material, geometría y tamaño.

El material para marcos más utilizado en los estudios previos es la madera seguido por el

aluminio y en algunos casos PVC.


17

En la mayoría de los artículos, los autores realizan sus pruebas o simulaciones bajo

condiciones típicas de invierno Tin= 20oC y Tex= 0

oC (de acuerdo al clima de Estado

Unidos) sin considerar las condiciones de verano.

La mayoría de los autores realizan el análisis de la transferencia de calor en ventanas

utilizando aparatos tipo Hot Box.

Existen diversos estándares internacionales para la realización de la experimentación

mediante las cámaras de ambiente controlado.

Las normas más utilizadas para pruebas con aparatos tipo Hot Box son de la ASTM debido

a que sus procedimientos son indicados de forma más detallada.

La mayoría de los resultados obtenidos numéricamente se han avalado con resultados

experimentales.

De acuerdo a las metodologías consultadas, los instrumentos de acondicionamiento del aire

en el Hot Box deben mantener como mínimo un nivel de incertidumbre de ± 1oC.

Sólo se encontró un estudio teórico de transferencia de calor en marcos de ventanas

fabricados en México.

1.3 Justificación.

De acuerdo a los artículos y estándares consultados para la elaboración de la revisión

bibliográfica presentada en la sección anterior, se considera que el estudio de la transferencia de

calor en ventanas, particularmente en los marcos; es una línea de investigación poco estudiada de

los componentes de edificaciones. Una ventana con un bajo factor U en condiciones de verano o

invierno se traduce en un ahorro energético significativo en una vivienda.

En México no se han realizado estudios experimentales acerca de marcos de ventanas

mexicanas. Se han llevado a cabo trabajos en vidrios (Álvarez, 2000; Banda, 2006), pero no se ha

considerado la transferencia de calor en los marcos. El proporcionar información del factor U de los

marcos de ventana puede conducir a nuevos diseños apropiados para las diferentes regiones de la

República Mexicana. Con lo anterior, se podrán sugerir esquemas normativos de ventanas en

México que actualmente no existen.


18

1.4 Objetivo.

Realizar la evaluación experimental de la transmitancia térmica o factor U de ventanas

hechas en México utilizando una cámara de ambiente controlado (Hot Box).

Los objetivos específicos son:

1. Estudiar las metodologías adecuadas para la evaluación de ventanas y caracterización del

Hot Box.

2. Conocer el funcionamiento del Hot Box.

3. Plantear y realizar los diseños de los experimentos a realizar con el Hot Box.

4. Determinar el factor U de ventanas representativas a las utilizadas en México con diferentes

tipos de materiales de los marcos.

1.5 Alcance.

Se estudiarán térmicamente cuatro tipos de ventanas con los materiales más utilizados en

los marcos (aluminio, fierro, madera y PVC). Para lo cual, se determinará el factor U que

caracteriza a cada ventana mediante un aparato tipo Hot Box. Se realizará la construcción de un

panel de pruebas para la colocación de las muestras y se caracterizará el aparato tipo Hot Box para

la realización de las pruebas.

Marco teórico de ventanas Capítulo 2

19

Capítulo 2

Marco teórico de ventanas

Este apartado se enfoca en la transferencia de calor en las ventanas como componente de la

envolvente térmica de edificios. También, se muestra el análisis del flujo de calor y del factor U de

las ventanas. Además, se incluye una sección donde se presentan las ventanas representativas de

México a evaluar.


20

2.1 Transferencia de calor en ventanas.

En las últimas décadas se han realizado diversas investigaciones para mejorar el desempeño

térmico de componentes de las envolventes de edificios tales como ventanas, puertas y paredes. De

forma particular, a través de las ventanas se percibe el ambiente exterior, se permite la ventilación e

iluminación. Cuando se instalan en zonas de clima seco o húmedo pueden originar diferencias de

temperaturas entre el interior y el exterior de la habitación, propiciando ganancias o pérdidas de

calor. Analizando la cantidad de energía en forma de calor que gana o pierde por una ventana, el

factor de ganancia o pérdida de calor se determina por la combinación de los procesos de

conducción, convección y radiación.

2.1.1 Conducción.

La conducción de calor es la transferencia de calor a través de un medio sólido o fluido

ocasionado por un gradiente de temperatura. De acuerdo a la ley de Fourier, para una placa plana

unidimensional, la ecuación general de conducción se expresa como:

dx

dTkq

cond (2.1)

donde k es la conductividad térmica del material, dT/dx es el gradiente de temperatura en la

dirección x.

En una ventana la conducción ocurre entre sus componentes principales: el vidrio y el

marco. Cuando se produce un incremento en la temperatura del vidrio, se generan flujos de calor en

dirección normal a la superficie interior o exterior de la habitación y hacia el marco. De la misma

forma ocurre cuando el marco aumenta su temperatura, se originan flujos de calor hacia el interior o

exterior y también con dirección al borde del vidrio (región de interacción entre el marco y el

vidrio). En la Figura 2.1 se muestran las zonas donde existe el flujo de calor por conducción en una

ventana.


21

En diversos estudios teóricos acerca de ventanas se utilizó el programa basado en la

conducción de calor en dos dimensiones THERM, el cual considera las cavidades internas de los

marcos como sólidos, por lo que calcula una conductividad efectiva para cada cavidad tomando en

cuenta los efectos del flujo de calor por convección y radiación.

2.1.2 Convección.

De forma general, la transferencia de calor por convección se lleva a cabo entre un fluido en

movimiento y una superficie cuando tienen diferentes temperaturas. Si el movimiento del fluido se

genera a partir de diferencias de densidad ocasionadas por variaciones en su temperatura, el flujo de

calor se denomina convección natural. Por otra parte, cuando el movimiento del fluido se origina

por una diferencia de presiones o bien, por una fuente mecánica externa, la transferencia de calor se

considera como convección forzada. La transferencia de calor por convección se determina

mediante la ecuación que refleja la ley de enfriamiento de newton:

)(

TThqsconvconv (2.2)

donde hconv es el coeficiente local de transferencia de calor convectivo, As es el área de la superficie;

Ts es la temperatura de la superficie y T∞ es la temperatura del ambiente (fluido en movimiento).

Para el análisis del flujo de calor por convección en una ventana, se debe considerar que la

temperatura del ambiente exterior Tex y el coeficiente local de transferencia de calor exterior hconv,ex

Figura 2.1 Flujo de calor por conducción: a) vidrio, b) marco.


22

influyen sobre la superficie exterior de la ventana así como la temperatura del ambiente interior Tin

y el coeficiente local de transferencia de calor interior hconv,in influyen en la superficie interior de la

ventana. En la Figura 2.2 se muestra el flujo de calor por convección en una ventana.

Las temperaturas del interior y exterior de la habitación se establecen como condiciones de

prueba para la ventana; sin embargo, los coeficientes locales de transferencia de calor no son tan

sencillos de especificar debido a que se requiere considerar la naturaleza y la variación de las

propiedades termodinámicas del fluido además de la geometría de la superficie de la ventana.

2.1.2.1 Convección natural.

Para el cálculo simplificado del flujo de calor convectivo y efectos de condiciones de

frontera estándar, se considera que la transferencia de calor de la ventana hacia el aire del interior de

una habitación se efectúa por convección natural (ISO 15099). Definiendo a la razón de flujo de

calor en el interior mediante la ecuación:

ininsinconvinconv

TThq ,,,

(2.3)

donde Ts,in es la temperatura de superficie de la ventana y Tin es la temperatura ambiente de la

habitación. Es necesario determinar el coeficiente local de transferencia de calor utilizando

correlaciones que involucran al número de Nusselt (Nu).

Figura 2.2 Flujo de calor por convección: a) vidrio, b) marco.


23

El coeficiente local de transferencia de calor se establece como:

HNuh

inconv

,

(2.4)

donde λ es la conductividad térmica del aire y H es la altura de la ventana. El Nu se calcula en

función del número de Rayleigh (Ra) y considerando H. Para una ventana vertical (θ = 90o) el Nu se

determina mediante:

1154110sin10;sin56.0 RaRaNu (2.5)

donde Ra se calcula a partir de:

m

innb

T

TTgCpHRa

,

32

(2.6)

Las propiedades del aire son evaluadas considerando la temperatura de media de película:

innbinm

TTTT ,4

1 (2.7)

Se observa que Tb,n es la temperatura interna del vidrio o temperatura de superficie de la

parte interna del vidrio (cuando las ventanas están compuestas de vidrios dobles, triples, etc.). El

coeficiente de transferencia de calor por convección natural es una función de dicha temperatura.

2.1.2.2 Convección forzada.

Para el cálculo simplificado del flujo de calor convectivo y efectos de condiciones de

frontera estándar; se considera que la transferencia de calor de la ventana hacia el aire del exterior

de una habitación se lleva a cabo por convección forzada. La norma ISO 15099 presenta una

correlación de la velocidad del viento para calcular el coeficiente convectivo del flujo de calor por

convección forzada. La ecuación que determina el coeficiente es:

sexconvVh 44

, (2.8)


24

2.1.3 Radiación.

La radiación solar que ingresa a través de una ventana representa una ganancia de calor

hacia el interior de una habitación. Cuando la radiación solar llega a una ventana, una parte de esta

energía se transmite (τ), otra se absorbe (α) y el resto se refleja (ρ). La energía que se absorbe

calienta a la ventana, por lo que se transfiere energía al ambiente interior y exterior principalmente

por convección y radiación térmica. En la Figura 2.3 se muestra la radiación solar incidente y el

flujo de calor por radiación térmica en una ventana.

El flujo de calor por radiación térmica que se transfiere o se emite al interior de una

habitación por unidad de área, está dado por la ley de Stefan-Boltzmann y se expresa en la siguiente

ecuación:

44

,, ininsinradTTq (2.9)

donde Tin es la temperatura ambiente en el interior de la habitación. Debido a que el intercambio

radiativo sólo se lleva a cabo entre superficies, se supone que la temperatura superficial de las

paredes de la habitación es aproximadamente igual a la temperatura del aire ambiente, Ts,in es la

temperatura de la superficie de la ventana, σ es la constante de Stefan-Boltzmann

(σ = 5.67 x 10-8

W/m2K

4) y ε es una propiedad térmica de la superficie llamada emisividad. La

emisividad ε tiene valores en un intervalo de 0 ≤ ε ≤ 1, esta propiedad indica la relación de una

Figura 2.3 Radiación solar y flujo de calor por radiación térmica: a) vidrio, b) marco.


25

superficie que emite energía con respecto a un cuerpo negro a la misma temperatura. El valor de ε

depende del material de la superficie y del acabado; para un vidrio claro el valor de la emisividad es

aproximadamente 0.86.

Si se suman las ecuaciones 2.3 y 2.9, se obtiene el flujo de calor transferido por la ventana

al interior de la habitación debido a la porción de la energía solar absorbida. Así, se tiene que el

flujo de calor es:

44

,,,,, ininsininsinconvinradinconvTTTThq

(2.10)

Si se descompone dos veces el binomio de la expresión del lado derecho de la anterior, se

obtiene:

ininsininsininsininsinconvinradinconv

TTTTTTTThq ,,

22

,,,,, (2.11)

Definiendo ininsininsinrad

TTTTh ,

22

,,

como el coeficiente de transferencia de calor

radiativo interior y sustituyendo en la ecuación 2.10 resulta:

ininsinradinconvinradinconv

TThhq ,,,,,

(2.12)

Además, considerando la parte de la radiación solar transmitida al interior de la habitación,

se tiene que el flujo de calor total transferido es:

GTThhqininsinradinconvinradinconv

,,,,,

(2.13)

El método de prueba experimental de la norma C 1199 y C 1363 de la ASTM para la

evaluación del factor U de ventanas utilizando un aparato tipo Hot Box se realiza sin considerar los

efectos de la radiación solar. Por tal motivo, el coeficiente de transferencia de calor por radiación

térmica y la porción de la energía solar transmitida son cero, lo cual supone que solo habrá flujo de

calor por conducción y convección a través de las ventanas.


26

2.2 Evaluación del factor U .

Para facilitar la comparación y clasificación de los componentes de edificios (muros,

ventanas, puertas, tragaluces, etc.) se utiliza el factor U. También, se le llama transmitancia térmica

o coeficiente global de transferencia de calor y se emplea para describir la razón de flujo de calor a

través de una ventana. Además, es el modo estándar de cuantificar el valor del aislamiento.

Este parámetro se define mediante la siguiente expresión:

inex

TTA

QU

(2.14)

El factor U esta dado en W/m2K, considera la transferencia de calor por conducción,

convección y radiación térmica para un intervalo de condiciones ambientales. También representa el

flujo de calor por cada metro cuadrado de la ventana por la diferencia de temperaturas del aire

interior y el exterior de una edificación.

Una manera alternativa para determinar el factor U es mediante la resistencia térmica total

de un elemento:

ARU

T

1 (2.15)

donde la resistencia térmica total RT está dado por:

inV

V

ex

Th

l

hR

11

(2.16)

donde lv es el espesor de la ventana y λv es la conductividad térmica efectiva de la ventana. Los

coeficientes hex y hin se determinan por la suma del coeficiente convectivo y radiativo térmico:

radconvhhh (2.17)


27

2.3 Ventanas representativas de la República Mexicana.

En México, durante siglos las ventanas comerciales han sufrido diversos cambios con

respecto al tipo de material del marco. En la época colonial fueron comunes las ventanas con

marcos de madera en los edificios; sin embargo, las ventanas deterioradas con el paso del tiempo, se

fueron sustituyendo por otras de materiales con menores problemas de mantenimiento como el

fierro y el aluminio. En la actualidad, en el mercado mexicano existe una gran diversidad de

ventanas por su tipo de operación, tipo de vidrio y tipo de materiales de los marcos, pero en la

mayoría de los casos los fabricantes no proporcionan información sobre sus características térmicas,

a excepción del vidrio pero no del conjunto.

Medina en el 2009 realizó un estudio teórico de la transferencia de calor en marcos de

ventanas representativas en México, en el cual presentó una clasificación de las ventanas de acuerdo

al tipo de material del marco. La clasificación consiste en los siguientes tipos de marcos de ventana:

Marcos de aluminio

Marcos de fierro

Marcos de madera

Marcos de PVC

Este trabajo pretende dar continuidad con los estudios sobre la transferencia de calor en

ventanas hechas en México. Por ello, considerando la clasificación anterior de las ventanas por el

tipo de material del marco, se decidió evaluar el factor U de forma experimental de cuatro ventanas

con operación fija, que fueran de alguna u otra manera representativas de las utilizadas en el país.

Las ventanas que se evaluaron, se adquirieron de acuerdo a las características anteriores y al precio

más accesible de los fabricantes consultados. A continuación se describen brevemente las ventanas

que se utilizaron para la experimentación.


28

2.3.1 Ventana de aluminio.

La ventana de aluminio es una de las más utilizadas en las viviendas de la República

Mexicana por su bajo costo y porque no requieren de un mantenimiento constante. Los marcos de

aluminio son ligeros pero tienen la rigidez suficiente para soportar vidrios de gran tamaño. Además,

no son inflamables, en caso de incendio no desprenden sustancias nocivas para la salud. Por otra

parte, la corrosión es menos notable en los marcos de aluminio a comparación de los marcos de

fierro. La principal desventaja de los marcos de aluminio es su elevada conductividad térmica, lo

que provoca el aumento en el flujo de calor y en el factor U de la ventana. Otra desventaja de las

ventanas de aluminio es la unión con tornillos en las esquinas de los marcos, lo que provoca

filtraciones de aire y agua; además, los tornillos pueden aflojarse.

La ventana de aluminio que se evaluó, se adquirió mediante el fabricante artesanal de

ventanas “TECNOVIAL” y consiste en cuatro marcos con perfil tipo bolsa unidos por pijas de

2.54 cm (1 pulg) en los extremos. Los perfiles tienen una altura de 2.3 cm y un espesor de 5 cm. Las

dimensiones de la ventana son de 60 x 60 cm. El vidrio utilizado es claro de 6 mm de espesor y esta

aprisionado por el marco mediante un sujetador de vinilo. El marco es de color blanco debido a que

el fabricante de los perfiles los vende ya pintados. En la Figura 2.4 se muestra la ventana de

aluminio que se evaluó.

Figura 2.4 Ventana de aluminio.


29

2.3.2 Ventana de fierro.

Las ventanas de fierro se utilizan desde hace muchos años en México. Este tipo de ventanas

representaron la opción más accesible y económica para los compradores. Actualmente la mayoría

se sustituyeron por ventanas de aluminio y en algunos casos por ventanas de PVC, ya no son tan

solicitadas por los constructores porque necesitan de un mantenimiento constante y por ser

artesanales los costos de fabricación son elevados. Este tipo de ventanas se fabrican con perfiles

tubulares de Acero. Para formar una ventana de fierro con un tipo de operación específica se

requiere combinar diversos perfiles previamente cortados en secciones de acuerdo al tamaño de la

ventana que se desea fabricar. El vidrio insertado en el marco se sujeta a presión con perfiles porta-

vidrio o junta-vidrio y se sella aplicando silicón. Por lo general, la conductividad térmica del Acero

que se utiliza para fabricar los perfiles y construcción de los marcos de fierro es más elevada que los

materiales como la madera o el PVC pero menor que el aluminio.

La ventana de fierro que se evaluó, se adquirió por parte de la empresa fabricante “IDEAS

EN HIERRO”. La ventana es de 60 x 60 cm y los perfiles son de Acero galvanizado modelo Cintro

121 calibre 18 (1.2 mm). Cada perfil se unió por soldadura eléctrica. El vidrio es claro de 6 mm de

espesor, el cual se sujetó en el interior del marco con un perfil tubular porta-vidrio modelo 154

calibre 18 con pijas de 1.9 cm (3/4 pulg) y se selló con silicón. Además, la superficie del marco de

la ventana se pintó con pintura de esmalte acrílico en aerosol color negro 117 de la marca Optimus.

En la Figura 2.5 se puede observar la ventana de fierro que se evaluó.

Figura 2.5 Ventana de fierro.


30

2.3.3 Ventana de madera.

La ventana de madera se utiliza desde la época colonial en México. Su apariencia

proporciona un toque de elegancia y tradicionalismo que modifica totalmente el diseño de una

vivienda. Desde el punto de vista térmico, la ventana de madera tiene un buen desempeño, entre

más grueso es el marco, mayor es el aislamiento que este provee. Normalmente los marcos de

madera son grandes, tienen una excelente rigidez y resistencia a los golpes; sin embargo son muy

susceptibles al agua y al ataque de las polillas pero con un buen mantenimiento su vida útil puede

ser muy prolongada. Las ventanas de madera se fabrican comúnmente de pino o maderas tropicales

y se les aplica recubrimientos especiales para disminuir la absorción de la humedad. También, la

unión en las esquinas de los marcos se realiza usualmente por ensambles tipo caja o espiga y para

reforzar la unión, se utilizan adhesivos o en algunos casos tornillos. Sin duda alguna este tipo de

ventanas es una de las más caras en el mercado después de la ventana de PVC.

La ventana de madera que se evaluó, se adquirió por parte de la carpintería

“CARPINTERÍA Y BARNIZ”. Consiste en una ventana de 60 x 60 cm con marcos de tablón de

7.5 cm (3 pulg). El vidrio es de tipo claro de 6mm, el cual está fijó en el marco por baguetas con

moldura pecho paloma y clavos de 1.27 cm (1/2 pulg). Además, en la superficie del marco se aplicó

un sellador de Nitrocelulosa NS-44/300 de la marca Sayer Lack para evitar la humedad. En la

Figura 2.6 se muestra la ventana de madera que se evaluó.

Figura 2.6 Ventana de madera.


31

2.3.4 Ventana de PVC.

Las ventanas de PVC (Policloruro de vinilo) son las más caras en el mercado mexicano

debido a que sus marcos son importados. En México el número de proveedores para este tipo de

ventana son muy reducidos; sin embargo, su comercialización va en aumento por la introducción de

distribuidores y ensambladoras en diversos estados del país. Los marcos de PVC usualmente tienen

refuerzos de materiales metálicos en su interior para mantener su rigidez. También, cuando los

marcos se construyen, se les aplica el color de acuerdo a la preferencia del usuario, por lo cual no es

necesario pintarlas. Normalmente los marcos de PVC son más robustos que los de aluminio, de

fierro e inclusive de madera. Las ventanas se forman uniendo los marcos por fundición (soldadura

por calor) asegurando una alta resistencia y durabilidad. En cuanto al desempeño térmico, esta clase

de marcos son comparables con los de madera.

La ventana de PVC que se evaluó, se adquirió mediante el distribuidor autorizado “CLASE

Y VISTA” y es de la marca alemana KÖMMERLING, el cual ha incursionado en el mercado

mexicano y cuenta con una planta ensambladora en la ciudad de Puebla. La ventana es de

60 x 60 cm, los marcos son del tipo SF con una altura y espesor de 5.8 cm. El vidrio es claro de

6 mm, está fijó en el interior del marco por soportes con pijas de 1.27 cm (1/2 pulg), junquillos que

se colocan a presión y sujetadores de poliuretano. Además, el marco tiene un acabado de fábrica en

color blanco. En la Figura 2.7 se puede observar la ventana de PVC que se utilizó para la

experimentación.

Figura 2.7 Ventana de PVC.

Experimentación de ventanas representativas de la República Mexicana Capítulo 3

32

Capítulo 3

Experimentación de ventanas

representativas de la República

Mexicana

Este apartado se enfoca en la metodología de evaluación de ventanas representativas de la

República Mexicana. También se presenta el modelo y el equipo experimental empleado para la

evaluación de ventanas. Además, se presenta la configuración, funcionamiento, instrumentación y

operación del aparato tipo Hot Box con base en los requerimientos establecidos por las normas C

1363 y C 1199 de la ASTM.


33

3.1 El aparato tipo Hot Box.

Los componentes de edificios se evalúan normalmente mediante calorímetros. Hoy en día

existen diversos métodos de calorimetría para evaluar ventanas. Algunos utilizan dispositivos que

simulan habitaciones a escala con simuladores solares (Álvarez et al. 2000) y otros emplean

aparatos tipo Hot Box en las que se pueden establecer condiciones de temperatura controlada del

interior y exterior de una edificación.

Los aparatos tipo Hot Box tienen muchas configuraciones que dependen del tipo de

medición que se requiera realizar. Según la norma C 1363 de la ASTM, los componentes más

significativos de un Hot Box son: 1) la cámara de medición (CAMED), 2) la cámara de ambiente

(CAMB) y 3) el panel o marco de pruebas que soporta a la muestra. Los elementos anteriores en su

conjunto, proporcionan adecuadamente la medición del flujo de calor a través de las muestras a

evaluar. El esquema típico de un aparato tipo Hot Box según la norma C 1363 de la ASTM es el que

se muestra en la Figura 3.1.

Figura 3.1 Esquema típico de un aparato tipo Hot Box.

Conforme a la Figura 3.1, se deducen dos configuraciones que se han utilizado por muchos

investigadores para la evaluación de envolventes térmicas de edificios. En la primera se considera

introducir la cámara de medición en una cámara de guarda la cual mantiene el aire ambiente a una

temperatura controlada, en la Figura 3.2 se muestra esta configuración.


34

Figura 3.2 Aparato tipo Hot Box con cámara de guarda.

En la segunda configuración no se utiliza la cámara de guarda en el Hot Box. Este es un

caso que considera el aire ambiente externo del aparato como la cámara de guarda, ver Figura 3.3.

Figura 3.3 Aparato tipo Hot Box sin cámara de guarda.

Mediante las dos configuraciones anteriores se pueden evaluar ventanas de grandes

dimensiones o del tamaño de la abertura de la cámara de medición. Para la segunda configuración,

si se considera la transferencia de calor a través de la ventana como Qm, esta puede ser representada

mediante la ecuación:

TUAQm

(3.1)


35

donde ΔT es la diferencia de temperaturas de ambos lados de la muestra. El valor del factor U no

puede ser medido directamente pero puede determinarse con los valores medidos de Qm, A y ΔT. La

Qm se puede determinar realizando un balance de flujo de calor en la cámara de medición. La

energía total o que se agrega a la cámara de medición se mide después de haber alcanzado las

condiciones de estado permanente y representa el flujo total de calor (QT). Este flujo se expresa en

la siguiente ecuación:

esqpérdmTQQQQ (3.2)

donde Qpérd son las pérdidas de calor a través de las paredes de la cámara de medición y Qesq es el

flujo de calor que se pierde en los costados o esquinas de la muestra debido a la interacción con el

marco, la pared de la cámara de medición y de ambiente.

Las configuraciones anteriores son aplicables a ventanas de gran tamaño; sin embargo, para

la evaluación de ventanas pequeñas o de área menor al área de abertura de la cámara de medición se

requiere agregar un panel de pruebas para que soporte a la ventana y considerar las pérdidas de

calor correspondientes.

3.2 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box.

En las normas C 1363 y C 1199 de la ASTM se detallan los procedimientos para la

caracterización del aparato tipo Hot Box, la calibración del panel de pruebas y la evaluación de

ventanas bajo condiciones de estado permanente. El balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot

Box como se indicó en la sección anterior, depende del tipo de configuración del aparato y de las

dimensiones de las muestras a evaluar. El aparato Hot Box está diseñado de tal manera que por

medio del panel de pruebas y la muestra a evaluar se divida en dos secciones: La cámara de

medición y la cámara de ambiente. La cámara de medición es la más importante debido a que en

esta se realizan las mediciones principales para cuantificar el flujo de calor a través de las muestras.

Considerando el diseño del aparato tipo Hot Box del Laboratorio de Tecnología Solar, la

configuración del aparato como la calibrada (sin cámara de guarda), que las muestras a evaluar son

muy pequeñas con respecto a la abertura de la cámara de medición y condiciones de prueba en

estado permanente, el esquema del balance del flujo de calor se muestra en la Figura 3.4.


36

Figura 3.4 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box.

donde Qpanel es el flujo de calor a través del panel de pruebas. Tomando en cuenta la Ecuación (3.2)

y la Figura 3.4, la ecuación que expresa el balance del flujo de calor en la cámara de medición es la

siguiente:

0esqpanelpérdmT

QQQQQ (3.3)

El flujo de calor que se agrega a la cámara de medición QT se puede determinar mediante la

ecuación:

ventcalTQQQ (3.4)

donde Qcal es el flujo de calor debido a los calentadores o resistencias térmicas y Qvent es el flujo de

calor debido a los ventiladores. Por lo cual, la Ecuación (3.3) puede reescribirse como:

0esqpanelpérdmventcal

QQQQQQ (3.5)

El Qcal y Qvent se pueden determinar midiendo la tensión y la intensidad eléctrica de las

fuentes que suministran energía a los calentadores y a los ventiladores.


37

3.2.1 Pérdidas a través de las paredes de la cámara de medición.

El flujo de calor que se pierde a través de las paredes de la cámara de medición determina

en gran manera la cantidad de energía necesaria que se debe agregar a la cámara. En la norma

C 1363 de la ASTM se indican los procedimientos para estimar el flujo de calor que se pierde en las

paredes de la cámara de medición. De forma teórica, se plantea una ecuación para una cámara que

consta de cinco paredes y una abertura para la colocación de las ventanas, dicha ecuación está

definida por:

L

TTAQ

exinefef

(3.6)

donde Q es el flujo de calor dado en W, L es el espesor de las paredes de la cámara de medición

dado en m, λef es la conductividad térmica efectiva de las paredes de la cámara de medición en

W/m K , Tin y Tex son las temperaturas de superficie de las paredes de la cámara de medición del

interior y del exterior respectivamente. Aef es el área interior efectiva de la cámara de medición y se

determina mediante la ecuación:

260.054.0 LeLAA iinef (3.7)

donde Ain es el área de superficie interior de la cámara de medición en m2, ∑ei representa la suma de

todas las longitudes de bordes formados por las uniones de las paredes al interior de la cámara de

medición dado en m.

La Ecuación (3.6) normalmente se utiliza durante el diseño del aparato tipo Hot Box. Una

manera alternativa para la caracterización de las paredes de la cámara de medición es fijar a la

misma temperatura el aire del interior de la cámara de medición y de ambiente. De la Ecuación

(3.5), tomando en cuenta que no hay flujo de calor a través de las ventanas Qm , en el panel Qpanel

y no habrá pérdidas por las uniones ventana-panel Qesq , esta se reduce a:

0pérdventcal

QQQ (3.8)


38

Figura 3.5 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box. Pérdidas en las paredes de la cámara de

medición.

Como se observa en la Ecuación (3.8) y en la Figura 3.5, el flujo de calor que se agrega a la

cámara de medición es equivalente al flujo de calor que se pierde a través de las paredes. Una vez

obtenido el flujo de calor que se pierde por las paredes, bajo las condiciones de prueba se determina

el factor U de las paredes:

ambcamedef

pérd

camedTTA

QU

(3.9)

donde Tcamed es la temperatura promedio del interior de la cámara de medición, Tamb es la

temperatura de promedio del laboratorio. Para obtener resultados confiables del flujo de calor y del

factor U de las paredes de la cámara de medición es necesario realizar diversas pruebas bajo

condiciones de temperatura ambiente del laboratorio en periodos representativos durante el cual se

evaluarán las ventanas.


39

3.2.2 Pérdidas a través del panel de pruebas.

El panel de pruebas se utiliza cuando el área de la ventana a evaluar es menor al área de la

abertura de la cámara de medición. El panel cubre el área faltante. También, el panel sirve como

soporte para las ventanas. Las pérdidas en el panel de pruebas en ocasiones son muy significativas y

juegan un papel muy importante en el balance del flujo de calor en el Hot Box. La caracterización

del panel se realiza con una abertura en el centro donde se coloca una muestra de referencia de

dimensiones similares a las ventanas a evaluar. En la Figura 3.6 se muestra el balance del flujo de

calor para la caracterización del panel similar al esquema para la evaluación de las ventanas.

Figura 3.6 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box. Flujo de calor en el panel de pruebas.

Conociendo las características térmicas de la muestra de referencia sin considerar los

efectos de la interacción muestra-panel, las pérdidas a través de las paredes además del flujo de

calor que se agrega a la cámara de medición, de la Ecuación (3.3) se tiene que el flujo de calor a

través del panel de pruebas se expresa como:

pérdmTpanelQQQQ (3.10)

donde:

cambcamedpanel

panel

panelTTA

QU

(3.11)


40

Según lo indicado en la norma C 1199 de la ASTM, la muestra de referencia que se utiliza

para la caracterización del panel de pruebas debe cumplir con los requerimientos especificados en la

norma C 518 también de la ASTM. Las pérdidas de calor ocasionadas por la interacción

muestra-panel Qesq no se consideran para la caracterización del panel de pruebas porque la muestra

de referencia debe tener una conductividad térmica muy baja. Lo anterior indica que el flujo de

calor muestra-panel es tan pequeño que se desprecia. Además para dicha prueba el flujo de calor

que se pierde de la interacción muestra-panel no constituye una representación de lo que se pierde

en las ventanas a evaluar debido a la conductividad de los diferentes tipos de marcos.

3.2.3 Pérdidas por la interacción ventana-panel de pruebas.

Las pérdidas por la interacción ventana-panel suceden cuando se coloca la ventana en un

panel de pruebas en la abertura de la cámara de medición. El flujo de calor de la ventana hacia el

panel como lo indica la norma C 1363 de la ASTM se estima en ocasiones mediante simulaciones

de cómputo cuando se diseña el Hot Box, esto por las características térmicas similares a las paredes

de la cámara de medición. En la Figura 3.7 se muestra la zona de interacción de la ventana y el

panel.

En la norma C 1363 de la ASTM se propone una ecuación para estimar de forma teórica las

pérdidas por la interacción ventana-panel. La ecuación propuesta está dada por:

aaefefesq

TLAQ

/ (3.12)

Figura 3.7 Zona de interacción ventana-panel.


41

donde λef es la conductividad térmica efectiva de superficie a superficie en ambos lados del panel

de pruebas dado en W/m K, Aef es el área efectiva en m

2, Lef

es la longitud efectiva alrededor de

toda la ventana dado en m, ΔTa-a es la diferencia de temperaturas promedio del aire de la cámara de

medición y de ambiente en grados K. El flujo de calor dado por la interacción ventana-panel

depende del espesor, altura y tipo del marco de la ventana además del espesor del panel. También

influyen las condiciones de prueba. Normalmente las pérdidas debidas a la interacción ventana-

panel son considerables cuando las ventanas a evaluar son de grandes dimensiones pero pequeñas

con respecto a la abertura de la cámara de medición. En tal caso dichas pérdidas pueden alcanzar

hasta un 6 % del flujo de calor a través de la ventana.

3.3 Modelo experimental.

El modelo experimental se implementó considerando los requerimientos y procedimientos

indicados en las normas C 1363 para la puesta a prueba del aparato tipo Hot Box y en la norma

C 1199 para la evaluación del factor U de ventanas, ambas de la ASTM.

En la Figura 3.8 se presenta el esquema del modelo experimental utilizado en la evaluación

del factor U de ventanas con el aparato tipo Hot Box. La ventana se coloca entre la cámara de

medición y de ambiente. La cámara de medición simula el exterior de una habitación y la cámara de

ambiente el interior. En la cámara de medición se ubica un sistema de calentamiento, el cual

mantiene constante la temperatura del aire a ± 0.5oC. En la cámara de ambiente se encuentra un

sistema de enfriamiento que mantiene constante la temperatura del aire a ± 0.5oC. En las pruebas se

mide la temperatura promedio del laboratorio, la temperatura promedio de la cámara de medición y

la del ambiente. Estas temperaturas medidas permiten calcular el flujo de calor a través del panel de

pruebas y el flujo de calor que se pierde por las paredes de la cámara de medición. El flujo de calor

a través del panel de pruebas Qpanel se calcula con las temperaturas y la Ecuación (3.10). El flujo de

calor que se pierde por las paredes Qpérd se calcula con las temperaturas y mediante la Ecuación

(3.8). Los resultados del flujo de calor a través del panel de pruebas y de las pérdidas por las

paredes de la cámara de medición se introducen en la Ecuación (3.3) para determinar el flujo de

calor y el factor U a través de la ventana evaluada.


42

3.4 Equipo experimental.

El equipo Hot Box que se compone de una cámara de medición, de una cámara de

ambiente, un sistema de acondicionamiento de la temperatura del aire, un sistema de control y

adquisición de datos, fue desarrollado por Banda (2006). En este trabajo el Hot Box se adecuó para

la caracterización de ventanas que requieren de un panel de pruebas colocado entre las dos cámaras.

Entre las cámaras de medición y de ambiente se coloca la ventana a evaluar soportada por el

panel de pruebas, la cual está sujeta utilizando un soporte formado por tubos de PVC y madera

(MDF). En la Figura 3.9 se muestra el equipo experimental.

Figura 3.8 Modelo experimental.

Cámara de medición Cámara de ambiente

Bomba de calor

Adquisición de

temperaturas

Caja de zona

Deflector

Termopares CAMED

Termopares CAMB

Alimentación de CA

Agua

Aire

Termopar LAB


43

Figura 3.9 Equipo experimental.

Compartimiento superior

Compartimiento principal

Compartimiento inferior

Cámara de medición Cámara de ambiente

Compartimiento superior

Compartimiento principal

Compartimiento inferior

Sistema de Control

Sensores de protección

Fuentes de CD

Circuito de Control

Bomba de calor de la

cámara ambiente

Adquisición de datos

Control manual para

focos

Caja de zona Tableta de conexión

termómetro de Platino

Cuchillas

Ventilador

Focos

Deflector Deflector

Soporte del

Panel Termopares

CAMED Termopares

CAMB

Intercambiador

de calor

Multímetro

Multímetro


44

En la cámara de medición se establecen las condiciones que representan el exterior de una

habitación. La cámara de medición consta de tres partes principales, un compartimiento inferior, un

compartimiento superior y la cámara principal divididos por un piso y techo falso. En el

compartimiento inferior y superior se encuentran dos ventiladores conectados en paralelo que se

utilizan para recircular el aire, ambos son de corriente directa (CD). En el compartimiento principal

están dispuestos tres focos para agregar energía a la cámara. Los focos se controlan de forma

manual por medio de un regulador de la tensión eléctrica. La intensidad y la tensión eléctrica de los

focos se miden utilizando dos multímetros. También, en el compartimiento principal frente a la

ventana, se tiene un deflector hecho de fibra de vidrio con una emisividad aproximada de 0.9 de

acuerdo a la norma NFRC 101-2006. El deflector cumple dos funciones: distribuir de manera

uniforme el aire impulsado por el ventilador y asegurar que la ventana tenga un intercambio

radiativo térmico únicamente con el deflector. Para la medición de la temperatura en la cámara de

medición, se tienen termopares tipo T calibre 30.

En la cámara de ambiente se simulan las condiciones del interior de una habitación. La

cámara de ambiente es similar a la de medición, consta de un compartimiento inferior, un

compartimiento superior y la cámara principal divididos por un piso y techo falso. Los

compartimientos superior e inferior son para acondicionar la temperatura del aire mediante dos

intercambiadores de calor que funcionan con agua a temperatura controlada, suministrada por una

bomba de calor. También, para recircular el aire se encuentra dos ventiladores conectados a una

fuente de alimentación de corriente alterna (CA). En el compartimiento principal frente a la

ventana, se encuentra un deflector de fibra de vidrio. Para la medición de la temperatura en la

cámara, se tienen 29 termopares tipo T calibre 30.

Para la medición de la temperatura del laboratorio, se ubicó un termopar colocado a un

costado del aparato tipo Hot Box. Todos los termopares se concentran en una caja de zona (Macias,

2008). Los datos de temperatura se registran, almacenan y se visualizan utilizando un sistema de

adquisición de datos controlado por una computadora.


45

3.4.1 Sistema de acondicionamiento de la temperatura del aire.

En este trabajo se adecuó el sistema de acondicionamiento de la temperatura del aire

paralelo al existente en el aparato tipo Hot Box con el fin de tener un mejor control de la

temperatura en la cámara de medición. Para el acondicionamiento de la temperatura del aire se

colocaron tres soquets con focos de 100 W distribuidos en el compartimiento principal de la

cámara. Los focos calientan el aire, el cual se recircula utilizando dos ventiladores radiales

colocados en los compartimientos superior e inferior. En la cámara de ambiente se simula la

temperatura del interior de una habitación por lo que no se requiere la medición del flujo de calor

agregado o perdido en la cámara. El aparato tipo Hot Box cuenta con dos intercambiadores de calor

ubicados en los compartimientos superior e inferior. En el interior de la cámara de ambiente, los

intercambiadores de calor enfrían o calientan el aire que se recircula mediante dos ventiladores

radiales también colocados en los compartimientos superior e inferior. Los ventiladores de la

cámara de ambiente son de corriente alterna. En la Figura 3.10 se muestran los acondicionadores de

temperatura del aire del aparato tipo Hot Box.

Los intercambiadores de calor son de tipo parrilla, constituidos por tubos de cobre aletados

interconectados por dos cabezales que distribuyen el flujo del agua que circula a través de ellos. El

fluido, en este caso agua, es provisto por una bomba de calor diseñado y construido durante los

trabajos de Castillo (2005) y Banda (2006). La bomba de calor está compuesta por una torre de

enfriamiento, dos unidades condensadoras, una bomba hidráulica y un arreglo de tuberías con

válvulas de paso. Además, la bomba de calor está conectada a la cámara de ambiente mediante dos

mangueras hidráulicas con un aislante térmico para tubos tipo armaflex. En la Figura 3.11 se

muestra la bomba de calor utilizada para la cámara de ambiente.

Focos de la cámara de medición

Intercambiador de calor de la cámara de ambiente

Figura 3.10 Acondicionadores de la temperatura del aire del aparato tipo Hot Box.


46

3.4.2 Sistema de control y adquisición de datos.

El sistema de control para el flujo de calor suministrado en la cámara de medición se realizó

mediante un regulador de la tensión eléctrica (DIMMER). Utilizando una tableta de conexiones y el

DIMMER se formó un circuito para el control manual de los focos. Los focos incrementan la

temperatura del aire hasta alcanzar la temperatura requerida. Si la temperatura se encuentra por

arriba o por debajo de lo esperado, el DIMMER permite variar la tensión eléctrica suministrada a

los focos. En la Figura 3.12 se muestra el control manual de los focos y las cuchillas de protección.

Figura 3.11 Bomba de calor para el acondicionamiento del aire en la cámara de ambiente.

Cuchillas de protección

Circuito de control para focos

Figura 3.12 Sistema de control manual de la temperatura en la cámara de medición.


47

En el compartimiento superior e inferior de la cámara de medición se localizan dos

ventiladores radiales que recirculan el aire; los ventiladores funcionan a 12 V con corriente directa

que se suministra por dos fuentes de alimentación regulables, ver Figura 3.13.

En la cámara de ambiente, la temperatura del aire se mantiene constante utilizando los

intercambiadores de calor instalados en el compartimiento superior e inferior. Los intercambiadores

agregan o absorben el calor del aire de la cámara de ambiente y lo transfieren al agua que circula a

través de ellos. El agua se suministra por medio de una bomba de calor, el cual se controla por un

circuito eléctrico enlazado a un programa de cómputo. Cuando se establece la temperatura de

operación de la cámara de ambiente, el programa envía una señal al circuito eléctrico activando la

bomba de calor. Si se desea aumentar la temperatura de la cámara de ambiente, el circuito eléctrico

activa la línea de alimentación de la resistencia eléctrica de la bomba de calor; con esto, se

incrementa la temperatura del agua que fluye en los intercambiadores y como consecuencia la

temperatura del aire en la cámara. Por el contrario, si lo que se requiere es disminuir la temperatura

en la cámara de ambiente, el circuito eléctrico activa la línea de alimentación de las dos unidades

condensadoras de la bomba de calor para disminuir la temperatura del aire. Además, como medida

de seguridad, la bomba de calor cuenta con dos sensores para detectar el calentamiento y

enfriamiento excesivo del agua. Así, mediante estos sensores de protección se ajusta el intervalo de

temperatura del agua en la bomba de calor. En la Figura 3.14 se muestra el circuito eléctrico y los

sensores de protección para el control de la bomba de calor.

Figura 3.13 Fuentes de Alimentación de CD regulables para los ventiladores de la cámara de medición.


48

En la cámara de ambiente también se cuenta con dos ventiladores en los compartimientos

superior e inferior. Los ventiladores son radiales y funcionan a 127 V con corriente alterna.

Las mediciones de la temperatura en el aparato tipo Hot Box se realizan utilizando

termopares tipo T calibre 30. Todas las terminales de los termopares se ubicaron en una caja de

zona. Además, los termopares fueron calibrados por el método de comparación con una

incertidumbre de ± 0.1oC (Macias, 2008). Los datos de temperatura y control de la bomba de calor

se registran, almacenan, visualizan y se controlan mediante un sistema de adquisición de datos que

cuenta con los siguientes elementos:

- Software LabView 8.2. Mediante este software se realiza el programa para el control de la

bomba de calor y registro de temperaturas.

- Bloque conector modelo SCB-68 desarrollado por National Instruments. Envía las señales

digitales al circuito eléctrico para el control de la bomba de calor.

- Sistema Operativo PXI 1050. Recibe toda la información enviada por los termopares y

envía las señales digitales para el control de la bomba de calor.

El registro de las mediciones de todos los termopares instalados en el Hot Box se realiza

mediante dos tarjetas adquisidoras de datos de temperatura SCXI-1303 instaladas en el sistema

operativo PXI 1050. Las señales de disparo digital para el control de la bomba de calor se llevan a

cabo utilizando una tarjeta acondicionadora de datos PXI-6251 instalado en el sistema operativo y

enlazado al bloque conector SCB-68. En la Figura 3.15 se puede observar el sistema de adquisición

de datos.

Sensores de protección

Circuito de control eléctrico

Figura 3.14 Sistema de control eléctrico para la bomba de calor.


49

3.5 Funcionamiento del aparato tipo Hot Box.

El Hot Box es un aparato en el cual se simulan las condiciones del interior y exterior de una

habitación. En la cámara de medición se simulan las condiciones del exterior y en la cámara de

ambiente las condiciones del interior y entre las dos cámaras se coloca la ventana a evaluar

utilizando un panel de pruebas como soporte. Para mantener constante la temperatura del aire en la

cámara de medición, se utilizan tres focos instalados en el compartimiento principal y dos

ventiladores radiales ubicados en los compartimientos superior e inferior. En principio, cuando se

encienden los focos, se incrementa la temperatura en el compartimiento principal; al mismo tiempo,

los ventiladores colocados en los compartimientos superior e inferior circulan el aire para

homogeneizar la temperatura. Por otra parte, la temperatura en la cámara de ambiente permanece

constante utilizando dos intercambiadores de calor y dos ventiladores radiales situados en los

compartimientos superior e inferior. Los intercambiadores absorben o agregan calor al interior de la

cámara dependiendo de la temperatura requerida. Los ventiladores de la cámara de ambiente

funcionan al mismo tiempo que los intercambiadores de calor para mantener la misma temperatura

del aire. En la cámara de medición y en la cámara de ambiente se encuentran ubicados dos

deflectorespara obtener una circulación uniforme del aire y como barrera radiativa en la ventana.

Programa para el control de la bomba de calor y

registro de temperaturas

Sistema operativo con bloque conector

Figura 3.15 Sistema de adquisición de datos para el aparato tipo Hot Box.


50

3.6 Instrumentación y calibración.

La temperatura es la medición principal que se realiza en la cámara de medición y en la

cámara de ambiente, lo que requiere de la utilización de diversos termopares calibrados. También,

para evitar los efectos de la radiación térmica que ocasionan los focos, se adicionó un deflector al

interior de la cámara de medición. Por otro lado, se construyó un panel de pruebas que pueda sujetar

a las ventanas y proporcione el aislamiento térmico adecuado entre la cámara de medición y de

ambiente. El panel tiene un soporte para su maniobra y colocación en el aparato tipo Hot Box. En

las siguientes secciones se detallan cada uno de los instrumentos mencionados para la puesta en

operación del aparato tipo Hot Box y evaluación de las ventanas.

3.6.1 Termopares.

Como se mencionó anteriormente, para la medición de la temperatura en el aparato tipo

Hot Box se han utilizado termopares tipo T calibre 30. Todos los termopares fueron calibrados

utilizando un baño térmico marca PolyScience con una incertidumbre de ± 0.1oC. Los termopares se

calibraron por el método de comparación en tres diferentes temperaturas: 25oC, 27.5

oC y 35

oC. Las

terminales de los termopares se concentraron en una caja de zona diseñada y construida por Macias

(2008) que se encuentra conectada a dos tarjetas de adquisición de datos de temperatura SCXI-1303

instaladas en el sistema operativo PXI 1050 de National Instruments. Los termopares se

distribuyeron en la cámara de medición, en la cámara de ambiente, sobre el panel de pruebas y en

las ventanas. Además se colocó un termopar a un costado del Hot Box para monitorear la

temperatura del laboratorio. En la Figura 3.16 se puede ver la colocación de los termopares.

Figura 3.16 Calibración y colocación de los termopares.


51

3.6.2 Deflectores.

De acuerdo a la norma C 1363 de la ASTM, se coloca un deflector frente a las ventanas a

evaluar en el aparato tipo Hot Box. La finalidad del deflector es ayudar a mantener la cortina de aire

sobre la ventana a una velocidad uniforme. También, el deflector protege la superficie de las

ventanas del intercambio radiativo térmico con las paredes de la cámara (de medición o de

ambiente) y demás elementos al interior. La distancia que debe tener el deflector con respecto a la

ventana debe ser aproximadamente de 14 a 20 cm; esto con el propósito de obtener una buena

circulación del aire. La emisividad del deflector es similar a la emisividad de la ventana (0.9).

Analizando la razón del flujo de calor por radiación térmica del deflector y la ventana, si

sólo interactúan entre sí estos dos elementos, la razón del flujo de calor por radiación térmica es

nula. Lo anterior se puede expresar mediante el balance de la razón del flujo de calor entre el

deflector y la ventana:

vraddradtotalqqq

(3.13)

donde qrad-d es la razón del flujo de calor por radiación térmica del deflector y qrad-v es la razón del

flujo de calor por radiación térmica de la ventana. Considerando que la razón del flujo de calor en el

deflector sea:

44

ambdsdradTTq

(3.14)

donde Ts-d y Tamb son las temperaturas de la superficie del deflector y la temperatura ambiente al

interior de la cámara, ε es la emisividad del deflector y σ es la constante de Stefan-Boltzmann

(σ = 5.67x10-8

W/m2K

4). La razón del flujo de calor por radiación térmica de la ventana esta dado

por:

44

ambvsvradTTq

(3.15)

Sustituyendo las ecuaciones (3.14) y (3.15) en (3.13), se obtiene:

4444

ambvsambdstotalTTTTq

(3.16)


52

Considerando que la ventana tiene una emisividad similar a la del deflector y que además

Ts-d ,Ts-d y Tamb se consideran iguales, la razón del flujo de calor total por radiación térmica es cero o

despreciable. En la Figura 3.17 se muestra el esquema del intercambio radiativo térmico entre la

ventana y los deflectores de la cámara de medición y de ambiente.

En la cámara de ambiente, se tiene un deflector ubicado en el compartimiento principal. El

deflector esta hecho de fibra de vidrio y está colocado a una distancia aproximada de 15 cm a la

ubicación de las ventanas. En la cámara de medición, también se acopló un deflector del mismo

material. El deflector se construyó con una placa de fibra de vidrio de 0.67 m de largo por 1.17 m de

alto, una base de placas de madera OSB en forma de escalera con 3 cm de ancho por 1.25 cm de

espesor. La emisividad de los deflectores de la cámara de medición y de ambiente es de 0.9. En la

Figura 3.18 se muestran los deflectores instalados en las cámaras de medición y de ambiente.

Figura 3.17 Intercambio radiativo térmico del deflector y la ventana.

Figura 3.18 Deflectores de la cámara de medición y de ambiente.


53

3.6.3 Panel de pruebas.

De acuerdo a las normas C1363 y C1199 de la ASTM, cuando las muestras a evaluar son

más pequeñas que la abertura de la cámara de medición, se utiliza un panel de pruebas para cubrir el

área faltante. El panel de pruebas debe ser capaz de soportar el peso de la ventana, proveerle

estabilidad, un buen aislamiento y sellado en los contornos de la abertura del panel donde se

colocan las ventanas por la interacción de calor entre el panel y el marco de la ventana. Por tal

motivo, el panel de pruebas debe construirse con materiales que proporcionen un aislamiento

térmico adecuado. Además, como se indica en las normas, el espesor del panel de pruebas debe ser

como mínimo el espesor máximo de las ventanas a evaluar o 10 cm para aislar y mantener una

estructura integra, el interior debe tener el material de mayor aislamiento unido en forma de

emparedado por dos placas aislantes que proporcionen rigidez.

Considerando lo anterior, se determinó teóricamente el desempeño térmico de un panel de

pruebas tomando en cuenta el diseño de una placa de poliestireno extruido como aislante con dos

placas de viruta de madera en cada uno de sus lados para proporcionar una estructura rígida. Se

realizó la variación del número de placas de poliestireno para ver el comportamiento térmico. Las

condiciones de pruebas aplicadas fueron con base en los resultados del análisis numérico de la

transferencia de calor de diferentes marcos de ventanas bajo condiciones de frontera para la

temperatura máxima de la región climática “Muy Seco” presentados por Medina (2009). Las

condiciones de prueba son las siguientes:

Tin = 24oC

Tex = 35.43oC

hconv,int = 2.42 W/m2 K

hconv,ext = 12.4 W/m2 K

Además, para el poliestireno extruido se utilizó una conductividad térmica de

0.0288 W/m K y para las placas de viruta de madera una conductividad térmica de 0.13 W/m K. En

la Figura 3.19 se pueden observar los resultados del comportamiento térmico del panel de pruebas

al aumentar el número de placas de poliestireno extruido en el centro del panel de pruebas.


54

Al aumentar el número de placas de poliestireno extruido que conforman la parte principal

del panel de pruebas, se observa una disminución de la transmisión de calor a través de dicho panel.

A mayor número de placas de poliestireno, la resistencia térmica del panel de pruebas es mayor,

esto debido a la capacidad de aislamiento del material. Por ello, el diseño del panel se modificó a

tres placas de poliestireno extruido con dos placas de viruta de madera. Sin embargo, para aumentar

o mantener la resistencia térmica del panel de pruebas y disminuir la utilización del poliestireno

extruido, se consideró que la placa central del panel fuera una cavidad de aire formada por un marco

principal de poliestireno. Se realizó el cálculo teórico del factor U del nuevo diseño del panel de

pruebas y se utilizaron diferentes anchuras para obtener la dimensión adecuada del marco. Para el

cálculo teórico, se utilizó una conductividad térmica del aire de 0.0263 W/m K. En la Figura 3.20 se

muestran los resultados obtenidos para marcos de 5 a 15 cm colocados el centro del panel de

pruebas.

Figura 3.19 Comportamiento térmico del panel de pruebas. Variación de las placas de poliestireno.

Figura 3.20 Comportamiento térmico del panel de pruebas. Variación de la anchura del marco principal.


55

Como se observa en la Figura 3.20, la variación del factor U del panel de pruebas es

prácticamente nula al utilizar el marco y la cavidad de aire. Se decidió utilizar una anchura del

marco principal de 10 cm para obtener un sellado adecuado. Para formar la cavidad de aire y tener

un aislamiento adecuado entre el panel y las ventanas, se decidió colocar un marco secundario de

poliestireno extruido alrededor de la abertura del panel donde se forma la cavidad. El marco de

poliestireno agregado, por su semejanza al marco principal se consideró a una anchura de 5 cm. El

factor U para el diseño final del panel de pruebas mediante cálculos teóricos se aproximó a 0.3

W/m2 K.

El panel de pruebas se diseñó de tal manera que resista las temperaturas de la

experimentación de las ventanas. Las el panel de pruebas es ligeramente más alto y ancho a la

cámara de medición reultando una longitud de 1.32 m, una altura de 2.44 m y un espesor de

0.097 m, está formado por un marco principal de 10 cm de ancho y otro marco secundario de 5 cm

en el centro (alrededor de donde se colocan las ventanas); ambos marcos son de poliestireno

extruido (XPS-Extruded Poly Styrene-), dos placas también de poliestireno la cubren en forma de

emparedado y por último se unen dos placas de madera (OSB-Oriented Strand Board-) en cada lado.

El espesor del poliestireno extruido es de 2.5 cm y la madera es de 1.1 cm.

Una vez diseñado el panel de pruebas, se continuó con su construcción, la cual se realizó en

dos etapas. En la primera etapa se armó el panel completo y en la segunda se efectuó una abertura

en el centro de acuerdo a las dimensiones de las ventanas a evaluar. El panel de pruebas se realizó

con placas de viruta de madera OSB de 1.21 m de largo por 2.44 m de alto y un espesor de 1.1 cm.

Debido a que en el diseño del panel se contempló una longitud de 1.32 m, se adicionó una placa de

11 cm de largo. Para la unión de las placas de madera-madera y madera-poliestireno se utilizó el

adhesivo “resistol no más clavos” de la marca Henkel. Las placas de poliestireno-poliestireno

fueron unidas utilizando el adhesivo SikaBond debido a que el “resistol no más clavos” no alcanzó

el tiempo de curado por ser un adhesivo de base agua. Se realizaron previamente pruebas

correspondientes de adherencia para los diferentes pegamentos. El curado del adhesivo para la

obtención de una buena resistencia en la unión de los materiales es de aproximadamente 24 hrs. En

la Figura 3.21 se puede observar el diagrama del armado del panel de pruebas.


56

En la Figura 3.22 se puede observar la ubicación de cuatro placas de poliestireno extruido

de 10 cm de ancho y una placa de 70 x 70 cm de largo por alto que forman la cavidad en el centro

del panel de pruebas. También, en los contornos de la placa de 70 x 70 cm se colocó una termopila

para caracterizar los gradientes de temperatura ocasionados por la interacción panel-ventana. La

termopila se formó con alambres para termopar tipo T cobre-constantan calibre 30. Para reforzar la

unión entre las placas del panel de pruebas, se requirió asegurar en la parte intermedia de los bordes

y esquinas del panel con espárragos de 12.5 cm de largo y 0.63 cm (1/4 pulg) de diámetro. El

contorno del panel se selló utilizando cinta para ductos con una emisividad de 0.9. Por último el

panel de pruebas se acopló a un soporte para su colocación y caracterización en el aparato tipo

Hot Box.

Figura 3.21 Diagrama del armado del panel de pruebas.


57

La segunda etapa en la construcción del panel de pruebas consistió en realizar una abertura

de 60 x 60 cm de largo por alto en el centro. Esto con la finalidad de adecuar las ventanas en la

abertura. También los contornos de la abertura se sellaron con cinta adhesiva. En la Figura 3.23 se

puede observar la figura del panel de pruebas con la abertura ubicado en la cámara de medición.

Figura 3.22 Construcción del panel de pruebas.


58

3.6.4 Soporte para el panel de pruebas.

El panel de pruebas es muy robusto, difícil de maniobrar y requiere de una base para

colocarse al mismo nivel que el aparato tipo Hot Box. Se debe sujetar de manera que no tenga

ningún movimiento; también, debe ser removido con facilidad. En algunos trabajos experimentales

realizados con aparatos tipo Hot Box, se utilizaron marcos de metal con ruedas para montar y

desmontar los paneles. Sin embargo, el metal produce un efecto de interacción de calor con los

contornos del panel, por lo que se utilizaron materiales aislantes que reducen el efecto de los

puentes térmicos.

El soporte tipo marco que se diseñó para ubicar el panel de pruebas entre la cámara de

medición y de ambiente, se formó con cuatro tubos de PVC tipo conduit de 6 cm de diámetro,

colocados en dos pares (izquierda y derecha) unidos en la parte inferior y superior mediante dos

placas de madera de 1.5 m de largo separadas entre sí a una altura de 2.44 m. Para asegurar el panel

de pruebas en el soporte, se consideró acoplar vigas de sujeción en las placas inferior y superior.

También, en la base del soporte se planteó tener tres vigas de apoyo para la utilización de un patín

hidráulico, lo que proporciona una mayor facilidad de movimiento. En la Figura 3.24 se muestra el

diagrama del armado del soporte.

Figura 3.23 Panel de pruebas con abertura.


59

La construcción del soporte tipo marco para el panel de pruebas en el aparato tipo Hot Box

se llevó a cabo utilizando cuatro tubos de PVC tipo conduit de 3 m de largo y 6 cm de diámetro. La

placa inferior, la placa superior, la placa de respaldo, las vigas de apoyo y las vigas de sujeción se

construyeron usando madera fibra de densidad media (MDF-Medium Density Fiberboard-), ver

Figura 3.25.

Figura 3.24 Diagrama del armado del soporte para el panel de pruebas.

Figura 3.25 Cuerpo principal del soporte.


60

En la placa de respaldo se realizaron tres perforaciones equidistantes para la colocación de

vigas de 70 cm de largo por 5.5 cm de ancho y 1.8 cm de espesor. En la Figura 3.26 se puede

observar la construcción de las placas y vigas de respaldo para el soporte del panel de pruebas.

También, en la placa superior e inferior se colocaron vigas de 1.33 m de longitud por 5 cm

de ancho por 1.8 cm de espesor para sujetar el panel de pruebas, ver Figura 3.27.

A todas las placas y vigas de madera que se utilizaron para la construcción del soporte se

les aplicó un sellador de nitrocelulosa para evitar daños ocasionados por la humedad. El armado

completo del soporte se realizó después de colocar el panel de pruebas. En la Figura 3.28 se muestra

el soporte del panel de pruebas totalmente armado.

Construcción de la placa de respaldo

Vigas para la placa de respaldo

Figura 3.26 Construcción de las placas y vigas de respaldo.

Figura 3.27 Vigas colocadas en la placa superior.


61

3.7 Procedimiento general de la experimentación.

El procedimiento general de la experimentación de las ventanas representativas de la

República Mexicana se describe en el diagrama presentado en la Figura 3.29. La 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 factor Upanel 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, se determina el flujo de calor a través de la ventana y por último el factor Uv.

Figura 3.28 Soporte para el panel de pruebas.


62

Figura 3.29 Procedimiento general de la experimentación de las ventanas.


63

3.7.1 Operación del aparato tipo Hot Box.

Para la realización de las pruebas de caracterización de la cámara de medición, del panel de pruebas

y la evaluación de las ventanas, es necesario aplicar una metodología de operación del aparato tipo

Hot Box. En la Figura 3.30 se muestra el diagrama de la operación general del aparato. Mediante

esta metodología se pueden realizar todas las pruebas requeridas para la experimentación. El tiempo

de estabilización de la temperatura en las cámaras de medición y de ambiente dependerá de las

condiciones y tipo de prueba que se realice. Se considera que la temperatura dentro del aparato tipo

Hot Box ha alcanzado la estabilidad dentro de un intervalo de ± 0.5oC y no cambia en un periodo de

tiempo mayor o igual a 1 hr. El tiempo requerido para la realización de la prueba es de 1 a 3 hrs y

está en función de la estabilidad del aparato tipo Hot Box además de la cantidad de datos de

medición que se quieran adquirir.


64

Figura 3.30 Diagrama de operación del aparato tipo Hot Box.

Resultados Capítulo 4

65

Capítulo 4

Resultados

En este capítulo se presentan los resultados obtenidos de la caracterización del aparato tipo

Hot Box, de la caracterización del panel de pruebas y la evaluación de las ventanas representativas

en la República Mexicana, bajo condiciones de prueba de acuerdo a la región de clima “Muy Seco”

del país. Se presentan las gráficas de las temperaturas obtenidas en el aparato tipo Hot Box para

cada una de las pruebas realizadas. También, se muestran los valores tabulados de las temperaturas

y los flujos de calor en el aparato tipo Hot Box, así como el flujo de calor y el factor U

correspondiente de acuerdo al tipo de prueba. Por último, se muestra un comparativo de los flujos

de calor y del factor U obtenidos de la evaluación de las ventanas.


66

4.1 Caracterización del aparato tipo Hot Box.

La caracterización del aparato tipo Hot Box comprende la evaluación del comportamiento

térmico de la cámara de medición, en el laboratorio. Por ello, se evaluó la influencia de la

temperatura del laboratorio sobre la cámara de medición. También, se determinó el Factor U de las

paredes de la cámara de medición. Además, se incluye una sección donde se evalúa el Factor U del

panel de pruebas diseñado y construido. Las pruebas se realizaron en el Laboratorio de Tecnología

Solar del Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (Latitud 18.83o, Longitud

99.10o) del 1 al 31 de Julio.

4.1.1 Caracterización de la Cámara de medición.

Para la caracterización de la cámara de medición, como primer paso se consideró la

influencia de la temperatura del Laboratorio de Tecnología Solar sobre la temperatura interior de

esta. Por tal motivo, se realizó una prueba sobre la sensibilidad que presenta la cámara de medición

ante los cambios de temperatura a lo largo del día en el Laboratorio de Tecnología Solar. La prueba

consistió en colocar diversos termopares al interior de la cámara de medición y en el ambiente del

laboratorio; la temperatura se monitoreó del 1 al 6 de Julio. En la Figura 4.1 se muestran los

resultados obtenidos de la prueba.

20

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22

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24

25

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29

00:09 06:39 13:09 19:39 02:09 08:39 15:19 21:49 04:19 10:49 17:19 23:49 06:19 12:49 19:19

T (o

C)

t (hr:min)

Tlab Tcamed

Figura 4.1 Comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de medición durante varios días.


67

Como se observa en la Figura 4.1, las paredes de la cámara de medición amortiguan los

cambios de temperatura con respecto al ambiente interior del Laboratorio de tecnología Solar. Se

puede notar que hay un efecto transitorio de amplitud de pico a pico de aproximadamente 2.5oC,

amortiguando 3oC con respecto a la temperatura exterior. También, se puede apreciar que los

horarios de mayor temperatura al interior del laboratorio son entre las 4 y las 9 de la noche, mientras

que los de menor temperatura son entre las 4 y las 9 de la mañana. Además, se puede ver que

durante la noche los cambios de temperatura son más lentos y se vuelven más lineales. En la Figura

4.2 se muestra con más detalle el comportamiento de las temperaturas en la cámara de medición y

del laboratorio a lo largo de un día.

20

21

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23

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25

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28

29

00:09 01:49 03:29 05:09 06:49 08:29 10:09 11:49 13:29 15:09 16:49 18:29 20:09 21:49 23:29

T (o

C)

t (hr:min)

Tlab Tcamed

Figura 4.2 Comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de medición durante un día.

Considerando que en la cámara de medición no se tiene un sistema de enfriamiento para el

aire y que sólo se consideran los focos instalados para agregar energía a la cámara, se decidió que

todas las pruebas para la caracterización de las paredes de la cámara de medición, caracterización

del panel de pruebas y caracterización de las ventanas se realizarán durante la noche. En la Figura

4.2 se observa que en el horario de 6 de la noche hasta las 8 de la mañana del siguiente día, se

presenta una mayor facilidad para la realización de las pruebas debido al comportamiento lineal que

se produce por la ausencia de la energía del sol.


68

Después de evaluar el comportamiento térmico de la cámara de medición con respecto a la

temperatura del laboratorio, se prosiguió con la prueba de la determinación del factor U de la

cámara de medición. De acuerdo con lo presentado en la Sección 3.2.1, la caracterización de las

paredes de la cámara de medición consistió en fijar la temperatura de la cámara de medición y de

ambiente a 35oC con ± 0.5

oC, temperatura considerada para la evaluación de las ventanas bajo la

condición del exterior en verano de una habitación conforme a los datos presentados por Medina

(2009).

Figura 4.3 Esquema de la caracterización de las paredes de la cámara de medición.

En la Figura 4.3 se muestra el esquema utilizado para la caracterización de la cámara de

medición. Estableciendo el mismo valor de la temperatura del aire para la cámara de medición y de

ambiente, se asegura que la energía agregada a la cámara de medición sea equivalente a las pérdidas

a través de las paredes de dicha cámara. La prueba de caracterización de las paredes de la cámara de

medición se realizó en dos ocasiones para obtener un valor representativo del Factor U. En la Figura

4.4 se puede observar la gráfica de la primera prueba, en la cual se presentan las temperaturas

obtenidas en la cámara de medición, en la cámara de ambiente y en el laboratorio. También, en la

Figura 4.5 se muestra la gráfica de las temperaturas resultantes para la segunda prueba. Se puede

notar en las dos figuras que la temperatura del aire dentro de las cámaras de medición y de

ambiente, se lograron estabilizar en un corto intervalo de tiempo debido a que sólo se produjeron

gradientes de temperatura entre el aparato tipo Hot Box y el ambiente del laboratorio, pero no entre

las cámaras.


69

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T(oC

)

t (hr:min)

Tcamed Tcamb Tlab

Figura 4.4 Caracterización de las paredes de la cámara de medición. Primera prueba.

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T (o

C)

t (hr:min)

Tcamed Tcamb Tlab

Figura 4.5 Caracterización de las paredes de la cámara de medición. Segunda prueba.

En la gráfica de la primera prueba, se puede observar que la temperatura del laboratorio se

ubicó en un intervalo de 24 a 26oC con ± 0.5

oC. En la gráfica de la segunda prueba, la temperatura

del laboratorio osciló alrededor de los 23oC con ± 0.5

oC. Para la primera prueba, se alcanzó una


70

estabilidad en las temperaturas de la cámara de medición y de ambiente en el intervalo de tiempo de

00:30 a 03:00 am, o sea durante 2 hrs y 30 min. Para la segunda prueba, las temperaturas se

estabilizaron de 23:45 a 03:00 am, o sea durante 3 hrs y 15 min. En la Tabla 4.1 y en la Tabla 4.2 se

presentan las temperaturas de la cámara de medición, las temperaturas de la cámara de ambiente, las

temperaturas del laboratorio, los resultados obtenidos del flujo de calor agregado o perdido en la

cámara de medición y el Factor U calculado.

Tabla 4.1 Resultados de la caracterización de las paredes de la cámara de medición. Primera prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qpérd

(W)

Factor Upérd

(W/m2 o

C)

02:22 35.0 35.0 24.5 136.5 1.1

02:27 35.0 35.1 24.4 136.1 1.1

02:32 35.0 35.0 24.3 143.3 1.1

02:37 35.0 35.0 24.3 141.8 1.1

02:42 35.0 35.0 24.3 142.4 1.1

PROMEDIO 35.0 35.0 24.4 140.0 1.1

Tabla 4.2 Resultados de la caracterización de las paredes de la cámara de medición. Segunda prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qpérd

(W)

Upérd

(W/m2 o

C)

01:38 35.0 35.0 23.1 141.8 1.0

01:43 35.1 35.1 23.2 141.6 1.0

01:48 35.1 35.1 23.2 141.8 1.0

01:53 35.1 35.1 23.1 142.1 1.0

01:58 35.1 35.0 23.1 141.3 1.0

PROMEDIO 35.1 35.1 23.1 141.7 1.0

En cada una de las pruebas, se tomaron cinco puntos representativos para la determinación

del factor Upérd considerando el intervalo de tiempo en el que se estabilizaron las temperaturas de las

cámaras y la temperatura del laboratorio la cual no se controla. En la primera prueba se determinó

para las paredes de la cámara de medición un Factor Upérd de 1.1 W/m2 o

C con ± 0.2 W/m2 o

C. En la

segunda prueba se obtuvo un Factor Upérd de 1.0 W/m2o

C con ± 0.2 W/m2o

C. Se puede apreciar que

la temperatura del laboratorio en las dos pruebas tiene una diferencia de 1oC. También, se puede

observar en los resultados de las pruebas realizadas, que ante la variación significativa de la

temperatura ambiente del laboratorio en el rango de 23 a los 25oC, el Factor Upérd varía ligeramente

el valor de 0.1 W/m2 o

C. Con estos resultados, se consideró evaluar las pérdidas de calor a través de

las paredes de cámara de medición de 23 a 24oC un Factor Upérd de 1.0 W/m

2 oC y de 24 a 25

oC un

factor Upérd de 1.1 W/m2 o

C debido a la variación de la temperatura en el laboratorio.


71

4.1.2 Caracterización del Panel de pruebas.

Después de haber determinado el factor Upérd de las paredes de la cámara de medición, se

continuó con la caracterización del panel de pruebas. La caracterización consistió en realizar una

abertura en el centro del panel en la cual se colocó una muestra de poliestireno extruido de

0.6 x 0.6 m con un espesor de 0.025 m (1 pulg) con un factor Um de 1.1 W/m2o

C. Posteriormente,

mediante un soporte se ubicó el panel de pruebas en el aparato tipo Hot Box entre las aberturas

cámara de medición y de ambiente. En la cámara de medición, la temperatura del aire se estableció

a 35oC, mientras que en la cámara de ambiente, se dispuso que la temperatura del aire fuera a 24

oC.

En la Figura 4.6 se muestra el esquema utilizado para la caracterización del panel de pruebas.

Figura 4.6 Esquema de la caracterización del panel de pruebas.

Las pruebas de la caracterización del panel se realizaron de acuerdo a al balance del flujo de

calor de la Ecuación (3.10) de la Sección 3.2.2. Las temperaturas en el aparato tipo Hot Box se

establecieron considerando las temperaturas de evaluación de las ventanas. En el balance del flujo

de calor de la cámara de medición no se consideraron las pérdidas de calor ocasionadas por la

interacción de la muestra-panel, esto debido a que la termopila colocada en el interior del panel de

pruebas no registró una variación significativa en la diferencia de potencial, fue del orden de

1 x 10-5

mV. Se considera que la diferencia de potencial de la termopila es proporcional a un

gradiente de temperatura ocasionado por la interacción de la muestra y el panel. En la Figura 4.7, se

muestra el panel de pruebas y la muestra de referencia colocados en el aparato tipo Hot Box.


72

Figura 4.7 Panel de pruebas y muestra colocados en el aparato tipo Hot Box.

Se realizaron dos pruebas de la caracterización del panel de pruebas para obtener un valor

representativo del factor Upanel. Las pruebas se realizaron del 29 al 31 de Julio. En la Figura 4.8 se

puede observar la gráfica de la primera prueba, en la cual se presentan las temperaturas obtenidas en

la cámara de medición, en la cámara de ambiente y en el laboratorio. También, en la Figura 4.9 se

muestra la grafica de las temperaturas resultantes para la segunda prueba. Se puede observar en las

dos figuras que la temperatura del aire en la cámara de medición fue muy difícil de estabilizar al

principio, esto debido a problemas en el suministro de la energía eléctrica en el laboratorio

ocasionados por problemas climatológicos. En la cámara de ambiente la temperatura del aire no

presentó problemas para la estabilización, debido a que la temperatura del laboratorio disminuyó de

forma similar a esta.

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T (o

C)

t (hr:min)

Tcamed Tcamb Tlab

Figura 4.8 Caracterización del panel de pruebas. Primera prueba.


73

23

25

27

29

31

33

35

37

39

17:08 17:58 18:48 19:38 20:28 21:18 22:08 22:58 23:48 00:38 01:28 02:18 03:08 03:58 04:48

T (o

C)

t (hr:min)

Tcamed Tcamb Tlab

Figura 4.9 Caracterización del panel de pruebas. Segunda prueba.

En la Figura 4.8 de la primera prueba de la caracterización del panel de pruebas, se observa

que se alcanzó una estabilidad en las temperaturas de la cámara de medición y de ambiente durante

2 hrs y 40 min en el intervalo de tiempo de 02:20 a 05:00 am. Para la segunda prueba, las

temperaturas se estabilizaron de 02:30 a 05:00 am, o sea durante 2 hrs y 30 min, ver Figura 4.9. En

la Tabla 4.3 y la Tabla 4.4 se presentan las temperaturas de la cámara de medición, las temperaturas

de la cámara de ambiente, las temperaturas del laboratorio, los resultados obtenidos del flujo de

calor agregado y perdido en la cámara de medición, el flujo de calor a través de la muestra de

poliestireno, el flujo de calor a través del panel de pruebas y el Factor Upanel calculado.

Tabla 4.3 Resultados de la caracterización del panel de pruebas. Primera prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

QT

(W)

Qpérd

(W)

Qm

(W)

Qpanel

(W)

Upanel

(W/m2 o

C)

04:04 35.1 24.0 24.5 160.6 136.5 4.4 18.3 1.1

04:09 35.1 24.0 24.4 160.0 136.1 4.4 16.2 1.0

04:14 35.1 24.1 24.4 160.6 143.3 4.4 16.9 1.1

04:19 35.1 24.1 24.3 159.3 141.8 4.4 14.3 0.9

04:24 35.0 24.1 24.1 156.7 142.4 4.3 10.4 0.7

PROMEDIO 35.1 24.1 24.3 159.4 140.0 4.4 15.2 1.0


74

Tabla 4.4 Resultados de la caracterización del panel de pruebas. Segunda prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qm

(W)

Qpanel

(W)

Upanel

(W/m2 o

C)

04:33 35.0 24.0 24.3 159.8 139.8 4.3 15.7 1.0

04:38 35.1 24.0 24.2 160.5 141.7 4.4 14.4 0.9

04:43 35.1 23.9 24.2 160.7 142.4 4.4 13.9 0.9

04:48 35.1 24.1 24.2 159.2 141.8 4.4 13.0 0.8

04:53 35.2 24.3 24.1 159.2 144.5 4.3 10.3 0.7

PROMEDIO 35.1 24.1 24.2 159.9 142.0 4.4 13.5 0.9

En cada una de las pruebas, se tomaron cinco puntos representativos para la determinación

del factor Upanel considerando el intervalo de tiempo en el que se estabilizaron las temperaturas de

las cámaras y la temperatura del laboratorio. En la primera prueba se determinó un Factor Upanel con

un valor de 1.0 W/m2 o

C con ± 0.2 W/m2 o

C. En la segunda prueba se obtuvo un Factor Upanel de 0.9

W/m2 o

C con ± 0.2 W/m2 o

C. Se puede observar que la temperatura del laboratorio en las dos

pruebas se permaneció a una temperatura promedio de 24.2oC. Con los resultados obtenidos, se

consideró evaluar las ventanas con un factor Upanel de 1.0 W/m2 o

C con ± 0.2 W/m2 o

C.

4.2 Caracterización de las ventanas representativas de la República Mexicana.

En esta sección se presentan los resultados obtenidos de la evaluación experimental de las

ventanas representativas de la República Mexicana, seleccionaron de acuerdo al tipo de material del

marco. Las ventanas son están hechas de vidrio claro de 6 mm con diferentes tipos de materiales del

marco: aluminio, fierro, madera y PVC. Cada una de las ventanas se caracterizaron mediante dos

pruebas, en las cuales se establecieron las condiciones de temperatura para el aparato tipo Hot Box,

en la cámara de medición de 35oC y en la cámara de ambiente de 24

oC, esto tomando en cuenta las

condiciones de prueba aplicadas en el análisis numérico de la transferencia de calor, para diferentes

marcos de ventanas en condiciones de frontera de temperatura máxima de la región de clima “Muy

Seco” presentados por Medina (2009). Cada una de las pruebas de caracterización de las ventanas

se realizaron en el horario nocturno. El balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box de la

Ecuación (3.5) presentado en la Sección 3.2 fue utilizado para la realización de las pruebas.

También, Las ventanas fueron evaluadas considerando los procedimientos indicados en la Sección

3.2. Todas las pruebas de caracterización de las ventanas se realizaron del 1 al 26 de Agosto. En la

Figura 4.10 se muestran las condiciones para la caracterización de las ventanas.


75

Figura 4.10 Condiciones de la caracterización de las ventanas.

Las temperaturas en las cámaras de medición y de ambiente se estabilizaron en un intervalo

de tiempo de 1 a 3 hrs en cada una de las pruebas realizadas. También, se monitoreo la temperatura

del aire en el Laboratorio de Tecnología Solar. Midiendo la tensión y la intensidad eléctrica de los

focos instalados en la cámara de medición se determinó el flujo de calor agregado a la cámara,

mientras que las pérdidas de calor por las paredes se calcularon considerando un factor Upérd de

1.0 W/m2 o

C para un intervalo de temperatura en el laboratorio de 23 a 24oC y 1.1 W/m

2 oC para un

intervalo de 24 a 25oC. Los flujos de calor en el panel de pruebas se determinaron utilizando un

factor Upanel de 1.0 W/m2 o

C de acuerdo a las pruebas de caracterización que se le realizaron. El flujo

de calor debido a la interacción de la ventana-panel no se consideró, ya que la termopila colocada

en el interior del panel de pruebas no registró una variación significativa en el monitoreo de la

diferencia de potencial lo que implica un gradiente de temperatura muy bajo y un flujo de calor de

la ventana hacia el panel de pruebas tan pequeño que se supone despreciable. También en esta

sección, se muestra una comparación de los resultados de los flujos de calor obtenidos y del factor

U para cada una de las ventanas evaluadas.

A continuación se presentan las gráficas del comportamiento de las temperaturas del

aparato tipo Hot Box y del Laboratorio de Tecnología Solar para cada una de las pruebas realizadas

a las ventanas. También se presentan las tablas con los resultados de los flujos de calor obtenidos y

el factor U calculado para cinco puntos representativos durante el tiempo en el que se estabilizaron

las temperaturas de las cámaras de medición y de ambiente.


76

4.2.1 Cálculo del Factor U de la Ventana de aluminio.

La ventana de aluminio se evaluó del 1 al 3 de Agosto. En la Figura 4.11 y en la Figura

4.12, se muestran las gráficas obtenidas de las dos pruebas realizadas para la caracterización de la

ventana de aluminio.

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T (o

C)

t (hr:min)

Tcamed Tcamb Tlab

Figura 4.11 Caracterización de la ventana de aluminio. Primera prueba.

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T(oC

)

t(hr:min)

Tcamed Tcamb T lab

Figura 4.12 Caracterización de la ventana de aluminio. Segunda prueba.


77

Para la primera prueba, la temperatura en la cámara de medición y de ambiente se estabilizó

a partir de las 5:00 am hasta las 7:22 am, o sea 2 hrs y 22 min. Para la segunda prueba se considera

que fue a partir de las 6:30 am hasta las 9:03 am, o sea 2 hrs y 33 min. Se puede observar que la

temperatura en la cámara de medición para la segunda prueba se estabilizó en un periodo de tiempo

más corto alrededor de 1 hr y 22 min, esto debido a que los resultados del flujo de calor agregado a

la cámara en la primera prueba se emplearon como referencia.

En la Tabla 4.5 se presentan los resultados de la primera prueba para las temperaturas de la

cámara de medición, las temperaturas de la cámara de ambiente, las temperaturas del laboratorio, el

flujo de calor y el Factor UAluminio calculado para la ventana de aluminio. También, se muestran los

resultados obtenidos del flujo de calor agregado y perdido en la cámara de medición, además del

flujo de calor en el panel de pruebas. En la Tabla 4.6 se muestran los resultados para la segunda

prueba realizada.

Tabla 4.5 Resultados de la caracterización de la ventana de aluminio. Primera prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qpanel

(W)

QAluminio

(W)

UAluminio

(W/m2 o

C)

06:57 35.0 24.0 22.9 184.0 143.1 15.8 25.1 6.3

07:02 35.0 24.1 22.8 184.2 144.5 15.7 24.1 6.2

07:07 35.0 24.1 22.8 185.2 144.9 15.7 24.7 6.3

07:12 35.0 24.1 22.8 185.4 145.0 15.7 24.8 6.3

07:17 35.0 24.1 22.8 185.6 145.0 15.7 25.0 6.3

PROMEDIO 35.0 24.1 22.8 184.9 144.5 15.7 24.7 6.3

Tabla 4.6 Resultados de la caracterización de la ventana de aluminio. Segunda prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qpanel

(W)

QAluminio

(W)

UAluminio

(W/m2 o

C)

07:53 34.9 24.0 23.0 179.9 140.9 15.7 23.3 5.9

07:58 35.0 24.1 23.0 180.2 142.1 15.7 22.4 5.7

08:03 35.0 24.0 23.0 182.6 142.1 15.8 24.6 6.2

08:08 35.0 24.0 22.9 182.0 143.3 15.8 22.9 5.8

08:13 35.0 24.0 23.0 182.0 142.3 15.9 23.8 6.0

PROMEDIO 35.0 24.0 23.0 181.3 142.1 15.8 23.4 5.9

En la primera prueba de la caracterización de la ventana de aluminio, se obtuvo un factor

UAluminio de 6.3 W/m2 o

C, para la segunda prueba se obtuvo un factor UAluminio de 5.9 W/m2 o

C. Se

puede observar que los resultados del flujo de calor de la ventana de aluminio, además del flujo de

calor agregado y perdido en la cámara de medición, son ligeramente mayores en un 2 % en la

primera prueba con respecto a la segunda prueba.


78

4.2.2 Cálculo del Factor U de la Ventana de fierro.

La ventana de fierro se evaluó del 24 al 26 de Agosto. En la Figura 4.13 y en la Figura 4.14,

se presentan las gráficas obtenidas de las dos pruebas realizadas para la caracterización de la

ventana de fierro.

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T (o

C)

t (hr:min)

Tcamed Tcamb Tlab

Figura 4.13 Caracterización de la ventana de fierro. Primera prueba.

19

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T(oC

)

t(hr:min)

Tcamed Tcamb Tlab

Figura 4.14 Caracterización de la ventana de fierro. Segunda prueba.


79

Para la primera prueba, las temperaturas en la cámara de medición y de ambiente se

estabilizaron durante 6 hrs y 36 min, a partir de las 3:00 am hasta las 9:36 am. Para la segunda

prueba se considera que fue a partir de las 2:30 am hasta las 8:49 am, esto es, durante 6 hrs y

19 min. Se puede observar en las dos graficas que la temperatura en la cámara de medición obtuvo

un comportamiento más estable, esto debido a la práctica del control manual de los focos y por la

disminución de los efectos climáticos en el laboratorio. En la Tabla 4.7 y en la Tabla 4.8 se

presentan los resultados de la primera y segunda prueba para el cálculo del factor U de la ventana de

fierro.

Tabla 4.7 Resultados de la caracterización de la ventana de fierro. Primera prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qpanel

(W)

QFierro

(W)

UFierro

(W/m2 o

C)

04:01 35.1 23.9 21.8 196.9 157.4 16.1 23.4 5.8

04:36 35.0 24.0 21.7 196.9 156.8 15.8 24.3 6.2

04:41 34.9 24.0 21.6 197.2 157.9 15.7 23.6 6.0

04:46 35.0 24.0 21.6 197.9 159.1 15.9 23.0 5.8

04:51 35.0 24.0 21.5 199.2 160.1 15.8 23.2 5.9

PROMEDIO 35.0 24.0 21.6 197.6 158.3 15.9 23.5 5.9

Tabla 4.8 Resultados de la caracterización de la ventana de fierro. Segunda prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qpanel

(W)

QFierro

(W)

UFierro

(W/m2 o

C)

03:49 35.1 24.1 22.7 185.6 146.6 15.8 23.2 5.9

03:54 35.0 24.1 22.6 185.9 147.4 15.7 22.8 5.8

03:59 34.0 24.1 22.6 185.9 147.6 15.7 22.6 5.7

04:04 35.0 24.0 22.6 185.8 147.0 15.7 23.0 5.8

04:09 35.0 24.0 22.5 185.6 147.3 15.8 22.6 5.7

PROMEDIO 35.0 24.1 22.6 185.8 147.2 15.8 22.8 5.8

En la primera prueba de la caracterización de la ventana de fierro, se obtuvo un factor UFierro

de 5.9 W/m2 o

C, para la segunda prueba se obtuvo un factor UFierro de 5.8 W/m2 o

C. Se puede

observar que la temperatura del laboratorio en la primera prueba fue mayor a 1oC con respecto a la

segunda prueba. También se puede observar que el flujo de calor agregado a la cámara de medición

en la primera prueba fue mayor que en la segunda, esto por el aumento en el gradiente de

temperatura generado entre la cámara de medición y el laboratorio. Por último, se puede observar

que la ventana de fierro obtuvo un factor U similar a la ventana de aluminio.


80

4.2.3 Cálculo del Factor U de la ventana de madera.

La ventana de madera se evaluó del 7 al 9 de Agosto. En la Figura 4.15 y la Figura 4.16, se

presentan las graficas obtenidas de las dos pruebas realizadas para la caracterización de la ventana

de madera.

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T(oC

)

t(hr:min)

Tcamed Tcamb T lab

Figura 4.15 Caracterización de la ventana de madera. Primera prueba.

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T(oC

)

t(hr:min)

Tcamed Tcamb T lab

Figura 4.16 Caracterización de la ventana de madera. Segunda prueba.


81

En la primera prueba de la caracterización de la ventana de madera, las temperaturas en la

cámara de medición y de ambiente se estabilizaron durante 7 hrs y 9 min, a partir de las 2:00 am

hasta las 9:09 am. Para la segunda prueba se considera que fue a partir de las 1:40 am hasta las

8:20 am, esto es, durante 6 hrs y 40 min. Se puede apreciar en las gráficas que el comportamiento

de la temperatura en el laboratorio fue idéntico durante las dos pruebas.

En la Tabla 4.9 y en la Tabla 4.10 se pueden ver los resultados de la primera y segunda

prueba para el cálculo del factor U de la ventana de madera.

Tabla 4.9 Resultados de la caracterización de la ventana de madera. Primera prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qpanel

(W)

QMadera

(W)

UMadera

(W/m2 o

C)

07:39 35.0 24.0 21.1 182.5 152.3 15.8 14.4 3.6

07:44 35.0 24.0 21.1 182.6 152.7 15.8 14.1 3.6

07:49 35.0 24.0 22.2 182.6 151.7 15.9 15.1 3.8

07:54 35.0 23.9 22.2 182.7 151.2 15.9 15.6 3.9

07:59 35.0 23.9 21.1 182.3 152.1 16.0 14.2 3.6

PROMEDIO 35.0 24.0 21.1 182.5 152.0 15.9 14.7 3.7

Tabla 4.10 Resultados de la caracterización de la ventana de madera. Segunda prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qpanel

(W)

QMadera

(W)

UMadera

(W/m2 o

C)

05:25 35.1 24.0 22.3 182.7 151.4 16.0 15.4 3.9

05:50 35.1 24.0 22.2 182.6 152.3 16.0 14.4 3.6

06:15 35.1 24.1 22.3 182.7 151.5 15.9 15.3 3.9

07:15 35.1 24.1 22.2 182.6 152.5 15.7 14.4 3.7

08:15 35.1 24.1 22.3 182.2 151.5 15.7 14.9 3.8

PROMEDIO 35.1 24.1 22.2 182.6 151.8 15.9 14.9 3.8

Para la primera prueba de la caracterización de la ventana de madera, se obtuvo un factor

UMadera de 3.7 W/m2 o

C, para la segunda prueba se obtuvo un factor UMadera de 3.8 W/m2 o

C. Se

puede observar que la temperatura del laboratorio en la segunda prueba fue mayor a 1.1oC con

respecto a la primera prueba. También se puede observar que el flujo de calor agregado a la cámara

de medición fue idéntico en las dos pruebas. Por último, se puede observar que la ventana de

madera obtuvo un factor U menor que las ventanas de aluminio y fierro por la baja conductividad

térmica de la madera.


82

4.2.4 Cálculo del Factor U de la ventana de PVC.

La ventana de PVC se evaluó del 13 al 21 de Agosto. En la Figura 4.17 y en la Figura 4.18,

se muestran las gráficas obtenidas de las pruebas realizadas para la caracterización de la ventana de

PVC.

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T(oC

)

t (hr:min)

Tcamed Tcamb T lab

Figura 4.17 Caracterización de la ventana de PVC. Primera prueba.

21

23

25

27

29

31

33

35

37

39

T(oC

)

t(hr:min)

Tcamed Tcamb Tlab

Figura 4.18 Caracterización de la ventana de PVC. Segunda prueba.


83

La primera prueba de la caracterización de la ventana de PVC se realizó el 13 y 14 de

Agosto, las temperaturas en la cámara de medición y de ambiente se estabilizaron durante 2 hrs y 35

min a partir de las 5:45 am hasta las 8:20 am. La segunda prueba se realizó el 20 y 21 de Agosto, las

temperaturas en la cámara de medición y de ambiente se estabilizaron durante 3 hrs y 29 min a

partir de las 2:00 am hasta las 5:29 am.

En la Tabla 4.11 y en la Tabla 4.12 se pueden ver los resultados de la primera y segunda

prueba para el cálculo del factor U de la ventana de PVC.

Tabla 4.11 Resultados de la caracterización de la ventana de PVC. Primera prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qpanel

(W)

QPVC

(W)

UPVC

(W/m2 o

C)

07:30 35.1 24.0 23.5 162.0 137.3 16.0 8.7 2.2

07:35 35.1 24.0 23.6 161.9 136.2 16.0 9.7 2.4

07:40 35.1 24.0 23.5 162.0 137.3 16.0 8.7 2.2

07:45 35.1 24.0 23.5 162.0 137.3 16.0 8.7 2.2

07:50 35.1 24.0 23.6 161.8 136.8 16.0 9.0 2.2

PROMEDIO 35.1 24.0 23.5 161.9 137.0 16.0 9.0 2.2

Tabla 4.12 Resultados de la caracterización de la ventana de PVC. Segunda prueba.

Tiempo

hr:min

Tcamed

(oC)

Tcamb

(oC)

Tlab

(oC)

Qent

(W)

Qpérd

(W)

Qpanel

(W)

QPVC

(W)

UPVC

(W/m2 o

C)

04:44 35.1 24.0 23.1 167.0 141.9 15.9 9.1 2.3

04:49 35.1 24.0 23.1 166.8 142.2 15.9 8.7 2.2

04:54 35.1 24.0 23.1 166.8 142.0 15.9 8.9 2.2

04:59 35.1 24.0 23.1 166.8 141.4 16.0 9.5 2.4

05:04 35.1 24.0 23.1 166.8 142.4 16.0 8.5 2.1

PROMEDIO 35.1 24.0 23.1 166.8 142.0 15.9 8.9 2.2

En la primera y segunda prueba de la caracterización de la ventana de PVC, se obtuvo un

factor UPVC de 2.2 W/m2 o

C. Se puede apreciar que la temperatura del laboratorio en la primera

prueba es ligeramente mayor con respecto a la segunda, por lo que el flujo de calor agregado y las

pérdidas en la cámara de medición resultaron ser mayores que en la primera prueba. Por último, se

puede observar que la ventana de PVC presentó el factor U más bajo que las demás ventanas

evaluadas.


84

4.2.5 Comparación de los resultados del flujo de calor.

En esta sección se presenta un comparativo de los resultados de los flujos de calor

obtenidos en las diferentes ventanas que se caracterizaron. Los flujos de calor determinados para

cada una de las ventanas representan la ganancia de calor producida por la diferencia de las

temperaturas entre el interior y exterior de una habitación, simulados en un aparato tipo Hot Box. En

la Figura 4.19 se pueden observar los valores del flujo de calor para cada una de las pruebas

realizadas a las ventanas.

7.0

9.0

11.0

13.0

15.0

17.0

19.0

21.0

23.0

25.0

Aluminio Fierro Madera PVC

Q (W

)

Tipo de Ventana

PRIMERA PRUEBA SEGUNDA PRUEBA

Figura 4.19 Comparación de flujos de calor de la primera y segunda prueba.

La ventana de aluminio y de fierro muestran una ligera diferencia de 5.27 % y 2.98 % entre

los flujos de calor en la primera y segunda prueba a comparación con las ventanas de madera y de

PVC que tienen una diferencia de 1 %. La ventana de PVC presenta una disminución considerable

en el flujo de calor a través de esta con respecto a las ventanas de aluminio, fierro y de madera. En

la Tabla 4.13 se muestran los valores tabulados de los flujos de calor para cada una de las pruebas

realizadas a las ventanas.

Tabla 4.13 Resultados del flujo de calor para las pruebas realizadas a las ventanas.

TIPO DE

VENTANA

PRIMERA

PRUEBA

SEGUNDA

PRUEBA Qtotal

(W) Q (W) Q (W)

Aluminio 24.7 23.4 24.0

Fierro 23.5 22.8 23.2

Madera 14.7 14.9 14.8

PVC 9.0 8.9 9


85

4.2.6 Comparación de los resultados del Factor U.

Mediante la experimentación en el aparato tipo Hot Box se realizó el cálculo del factor U de

las ventanas seleccionadas por el tipo de material del marco. De acuerdo con los resultados

presentados en las secciones anteriores, se presenta una comparación del factor U de las ventanas

evaluadas. En la Figura 4.20 se muestra gráficamente los valores del factor U de las dos pruebas

realizadas a cada una de las ventanas.

2.02.32.62.93.23.53.84.14.44.75.05.35.65.96.26.56.8


Fact

or

U (

W/m

2 o

C)

Tipo de Ventana

PRIMERA PRUEBA SEGUNDA PRUEBA

Figura 4.20 Comparación de los Factores U de la primera y segunda prueba.

El factor U más bajo lo presenta la ventana de PVC y el factor U más alto la ventana de

aluminio. La ventana de madera tiene un factor U mayor a la ventana de PVC pero menor a la

ventana de fierro y aluminio, los cuales son similares. En la Tabla 4.14 se muestran los resultados

del factor U de las pruebas realizadas a las ventanas.

Tabla 4.14 Resultados del Factor U de las pruebas realizadas a las ventanas.

TIPO DE

VENTANA

PRIMERA

PRUEBA

SEGUNDA

PRUEBA Factor Utotal

(W/m2 o

C) Factor U (W/m

2 oC) Factor U (W/m

2 oC)

Aluminio 6.3 5.9 6.1

Fierro 5.9 5.8 5.9

Madera 3.7 3.8 3.8

PVC 2.2 2.2 2.2


86

El factor U obtenido de la ventana de PVC, indica que esta presenta un gran aislamiento

con respecto a las ventanas de aluminio, fierro y madera; sin embargo, esto no implica

necesariamente que la ventana de PVC sea la mejor para su utilización en viviendas o edificios. Lo

anterior dependerá de la región climática del país en la cual se ubique la vivienda, del tipo de

vivienda y la posibilidad económica de la persona que requiera la ventana.

4.2.7 Comparación de los resultados experimentales del Factor U de las ventanas

evaluadas con valores reportados en trabajos previos.

En la Figura 4.21 se presenta un comparativo de los resultados obtenidos en el presente

estudio con los datos reportados en trabajos previos. Medina en el 2009 presentó los resultados del

Factor U obtenidos de simulaciones efectuadas en el programa THERM. En este trabajo se

consideraron los valores semejantes a los que reportó Medina en el 2009, con la diferencia de que

las ventanas utilizadas para el estudio teórico tienen distintas geometrías y dimensiones de los

marcos además de tener una operación distinta a comparación de las ventanas del presente estudio.

Comparando los resultados teóricos del factor U de las ventanas de operación corrediza

obtenidos por Medina y los resultados experimentales de las ventanas de operación fija obtenidos en

este trabajo, se obtiene el gráfico de la Figura 4.21.

2.0

2.3

2.6

2.9

3.2

3.5

3.8

4.1

4.4

4.7

5.0

5.3

5.6

5.9

6.2

6.5


Fact

or

U (

W/m

2 o

C)

Tipo de Ventana

Medina (2009) Trabajo actual

Figura 4.21 Comparación de los resultados teóricos y experimentales del factor U de ventanas obtenidos

en el Cenidet.


87

En general, el Factor U obtenido del estudio teórico y del trabajo experimental para cada

ventana de acuerdo al tipo de material del marco es similar; sin embargo, en el caso de la ventana de

aluminio se observó una diferencia notoria en los resultados, el marco utilizado para el estudio

teórico tiene una altura de 52.6 mm y un espesor de 51 mm a comparación del marco utilizado en

este trabajo que tiene una altura de 23 mm y un espesor de 50 mm, lo que provoca la diferencia

marcada los resultados del factor U.

También se observa en la Figura 4.21 que existe una diferencia considerable del 21.3 % en

el resultado teórico con respecto al resultado experimental de la ventana de aluminio. Para la

ventana de fierro las diferencia porcentual es del 13.6 %, para la ventana de madera 7.3 % y para la

ventana de PVC 15.4 %. Las variaciones en los resultados del factor U del estudio teórico y del

trabajo experimental se consideran que se deben principalmente a que la geometría y las

dimensiones del marco son distintas. También, en el análisis teórico no se consideró en los marcos

ningún tipo de pintura de protección como en el caso de las ventanas de aluminio, fierro y madera

que se utilizaron para el trabajo experimental.

Conclusiones y recomendaciones Capítulo 5

88

Capítulo 5

Conclusiones y recomendaciones

En este capítulo se presentan las conclusiones de este trabajo de tesis. También se presentan

algunas recomendaciones para la realización de trabajos futuros relacionados con la línea de

investigación de este trabajo.


89

5.1 Conclusiones.

Se realizó la evaluación experimental de la transmitancia térmica o factor U de cuatro

ventanas representativas en México utilizando un aparato tipo Hot Box bajo las condiciones

de prueba de clima “Muy Seco” en la República Mexicana. Las cuatro ventanas tienen

marcos de aluminio, fierro, madera y PVC con un solo vidrio claro de 6 mm. Se diseño y

construyó un panel de pruebas para ventanas, ver Figura 3.21. Este dispositivo fue colocado

en el aparato Hot Box modificando su configuración donde se evaluó el Factor U con una

incertidumbre de ± 0.2 W/m2o

C

La cámara de medición del aparato tipo Hot Box fue caracterizada en el intervalo de

temperaturas de 23 a 24oC resultando un factor de pérdidas, Upérd, de 1.0 W/m

2 oC con

± 0.2 W/m2 o

C y en el intervalo de 24 a 25 oC con un factor de pérdidas, Upérd, de 1.1 W/m

2

oC con ± 0.2 W/m

2 oC. Este resultado es debido a que las pérdidas de calor aumentan por la

variación de la temperatura ambiente en el laboratorio. 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 1.0 W/m2 o

C con

± 0.2 W/m2 o

C, por lo cual, se concluye que el panel de pruebas representó un buen aislante

entre la cámara de medición y de ambiente.

El Factor U para los cuatro tipos de ventanas resultó de la siguiente manera: para la ventana

de aluminio se obtuvo un factor UAluminio de 6.1 W/m2 o

C con ± 0.2 W/m2 o

C, la ventana de

fierro un factor UFierro de 5.9W/m2 o

C con ± 0.2 W/m2 o

C, la ventana de madera un factor

UMadera de 3.8W/m2 o

C con ± 0.2 W/m2 o

C y la ventana de PVC un factor UPVC de 2.2W/m2

oC con ± 0.2 W/m

2 oC.

Se encontró que la ventana de aluminio es la que presenta mayor flujo de calor con 24.0 W

similar a la obtenida en la ventana de fierro con 23.2 W la diferencia porcentual fue del

3 %, mientras que el flujo de calor de la ventana de madera fue de 14.8 W con una

diferencia porcentual de 38.4 % con respecto a la ventana de aluminio y el flujo de calor de

la ventana de PVC fue de 9.0 W con una diferencia porcentual considerable del 62.7 % con

respecto al resultado de la ventana de aluminio.


90

La ventana de PVC proporciona el mejor aislamiento, de hasta el 64 % con respecto a la

ventana de aluminio. También, se observó un buen aislamiento de la ventana de madera de

hasta el 37 % con respecto a la ventana de aluminio; sin embargo, existe una diferencia

entre la ventana de madera y la ventana de PVC de hasta un 42% en el aislamiento.

Al comparar, el factor U obtenido del estudio teórico reportado por Medina, 2009 y del

trabajo experimental para cada ventana de acuerdo al tipo de material del marco, se

concluye que los resultados fueron similares; sin embargo, en el caso de la ventana de

aluminio se observó una diferencia en los resultados, lo cual puede atribuirse a que la

geometría y las dimensiones de los marcos del estudio teórico y experimental son distintos.

Finalmente, puede concluirse que se ya se cuenta con una metodología y un dispositivo

experimental adecuado para llevar a cabo pruebas para calcular los flujos de calor a través de las

ventanas, el cual puede utilizarse con fines normativos para la República Mexicana.

5.2 Recomendaciones.

Para obtener mejores resultados en la caracterización de las paredes de la cámara de

medición se recomienda mantener constante la temperatura del laboratorio o utilizar una

cámara de guarda.

Este trabajo sólo se enfocó en evaluar ventanas bajo condiciones de clima Muy Seco, se

recomienda evaluar el factor U considerando otro tipo de climas como el Cálido Húmedo,

Templado Húmedo, etc.

Se recomienda evaluar el factor U de las ventanas considerando diversos tipos de aperturas

tales como corredizos, abatibles etc.

Realizar la caracterización de las ventanas considerando el coeficiente de ganancia de calor

solar (CGCS).

Realizar la caracterización de las ventanas tomando en cuenta diversos espesores de los

vidrios.

Bibliografía

91

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