Degradación de unidades de vidrio aislante: rendimiento térmico, mediciones e impactos energéticos

Fecha: 8 de agosto de 2023

Autores: Madison Likins-White, Robert C. Tenent y Zhiqiang (John) Zhai

Fuente: Edificios 2023, 13(2), 551; MDPI

DOI:https://doi.org/10.3390/buildings13020551

(Este artículo pertenece a la Sección Edificación Energía, Física, Medio Ambiente y Sistemas)

La degradación de las unidades de vidrio aislante (IGU) se ha estudiado ampliamente. Sin embargo, existe una comprensión limitada de cómo los estándares actuales de evaluación de durabilidad se relacionan con la vida útil del producto. Además, existe un debate sobre cómo cuantificar el rendimiento de las ventanas instaladas a lo largo del tiempo para comprender mejor los procesos de degradación. Se requiere más conocimiento sobre estos temas para vincular la evaluación de la durabilidad con las proyecciones de vida útil del producto basadas en el desempeño energético. Los modelos energéticos proporcionan estimaciones útiles del consumo total anual de energía de los edificios. Sin embargo, la mayoría de los modelos se basan en el rendimiento "tal como está instalado" de los componentes de la envolvente y no tienen en cuenta la degradación del rendimiento. Esto puede llevar a una subestimación del consumo de energía durante la vida útil del edificio.

Una mejor comprensión de la relación entre durabilidad y rendimiento energético puede contribuir a la integración de la dinámica de degradación en el software de modelado energético. Esto mejorará las estimaciones del consumo de energía de los edificios durante su vida útil, además de informar sobre las estrategias y los plazos de modernización adecuados. Este artículo revisa la literatura actual sobre durabilidad, varios estándares para clasificaciones de rendimiento de ventanas y métodos de intemperie, técnicas de medición del rendimiento energético de IGU in situ existentes y efectos energéticos en todo el edificio. Se analizan y discuten los desafíos y disparidades entre varios estudios. Los autores esperan que un mayor trabajo en esta área conduzca al desarrollo de métodos de prueba in situ mejorados para evaluar la degradación de las IGU en el campo y vincular este conocimiento con enfoques mejorados de modelado del rendimiento energético.

El sector de la construcción es responsable del 40% del consumo total de energía y más del 35% de las emisiones de gases de efecto invernadero en los EE. UU., como se muestra en la Figura 1 [1].

La envolvente del edificio es la principal barrera térmica entre los ambientes interior y exterior e incluye las paredes, ventanas, techo y cimientos. La envolvente del edificio es un punto débil del consumo general del edificio y es vital para mejorar el rendimiento del edificio. Se estima que la envolvente del edificio representa el 30% del consumo de energía en edificios residenciales y comerciales, y las ventanas representan entre el 15 y el 50% de las pérdidas totales de transmisión de la envolvente y el 10% del consumo total de energía de los edificios [3,4,5,6 ]. Los efectos del rendimiento de la envolvente se transmiten en cascada a todos los sistemas dentro de un edificio; una envolvente más eficiente no sólo reduce la transmisión térmica, sino que también puede reducir el tamaño del equipo, reducir el uso de agua, mejorar el ciclo de vida general de un edificio y aumentar el confort térmico. Sin embargo, el rendimiento térmico de la envolvente no es estático durante la vida útil de un edificio; disminuye con la edad y el clima, lo que lleva a mayores necesidades de energía. Se estima que la degradación de la envolvente y del sistema HVAC puede provocar un aumento del consumo de energía del edificio entre un 20% y un 30% [7].

Las ventanas representan una gran parte de las pérdidas de envolvente según el tipo de ventana, el clima y el tipo de edificio [4,5]. Las ventanas no solo tienen un factor U alto en comparación con los componentes opacos de la envolvente, sino que también tienen ganancias solares que contribuyen a su transferencia general de calor a los espacios (coeficiente de ganancia de calor solar). La Figura 2 muestra que el 84% de la radiación solar que incide sobre la ventana se transfiere al espacio en forma de calor [8].

La radiación solar y la conductividad térmica provocan una mayor ganancia de calor en verano, lo que aumenta las cargas de refrigeración. En invierno, sólo la conductividad contribuye al aumento de la calefacción necesaria. La conductividad asociada con las diferencias extremas de temperatura y la radiación solar que incide sobre las ventanas también provocan la degradación [9]. Las ventanas normalmente se dividen en dos componentes físicos: la unidad de vidrio aislante (IGU) y el marco. La IGU consta de al menos dos láminas de vidrio que están separadas por un sistema espaciador, que normalmente contiene un material desecante con los bordes de las unidades sellados con diversos materiales poliméricos. El interior de la unidad sellada generalmente se llena con un gas inerte de baja conductividad térmica, y las láminas de vidrio pueden tener recubrimientos de baja emisividad (Low-e) para mitigar las ganancias de calor solar.

La degradación de las IGU se asocia con mayor frecuencia con fallas en el sellado de los bordes, pérdida de gas entre paneles y ruptura del revestimiento de baja emisividad. Estos modos de falla ocurren dentro de la IGU de un sistema de ventana y generalmente pueden desacoplarse de los puentes térmicos y otros efectos del marco. Las ventanas comerciales tienen una vida útil de 20 a 30 años en comparación con la vida útil total de 50 a 60 años de un edificio comercial [10]. Su vida útil más corta, sus múltiples modos de degradación y su gran contribución al consumo de energía en comparación con otros componentes de la envolvente resaltan la importancia de vincular el envejecimiento de las ventanas con el rendimiento energético en el esfuerzo por mejorar la eficiencia y la estimación energética de los edificios.

Al comprender la relación entre el rendimiento térmico y la degradación, se puede mejorar el modelado y la estimación de la energía de los edificios, lo que permite al sector de la construcción optimizar la eficiencia de la vida útil y abordar mejor las necesidades de modernización. Se descubrió que la mejora de la modernización y la inversión en la eficiencia energética de los edificios era la forma más sencilla de reducir las emisiones de dióxido de carbono asociadas [11]. Estas inversiones están vinculadas a impactos socioeconómicos positivos en las comunidades, como un mayor empleo, una mejor calidad de vida y mayores ingresos gubernamentales. Estas mejoras tienen el potencial de reducir la disparidad de los grupos subrepresentados en el mercado inmobiliario y al mismo tiempo reducir las emisiones generales de gases de efecto invernadero.

Dado que los modos de falla de interés para este trabajo no están asociados con los efectos del marco, el contenido de este documento se centrará en información general sobre la durabilidad de las IGU, los métodos de calificación del desempeño, la tecnología de medición in situ y los impactos energéticos generales. El principal objetivo de este artículo es revisar la literatura existente relacionada con la durabilidad de las IGU, las técnicas de medición in situ, las clasificaciones y estándares de desempeño y los efectos generales del consumo de energía del edificio debido a los cambios en el desempeño de las IGU. Este artículo tiene como objetivo resaltar tanto los aspectos positivos como los negativos de la literatura existente y establecer las necesidades restantes de estos temas de investigación. Se utilizará el análisis de la literatura actual para informar la metodología de investigación futura para alcanzar objetivos más amplios.

2.1. Durabilidad del sello

La durabilidad de una ventana es su capacidad para seguir siendo funcional y funcionar según lo diseñado. La durabilidad de la ventana depende del marco y la hoja, los sellos de vidrio aislante y los burletes, aunque no existe una clasificación simple de durabilidad [12]. La Figura 3, de NFRC 100, muestra la disposición de una IGU de doble panel.

La Figura 3 muestra una IGU con un sistema de sello de doble borde, que se hizo popular en la década de 1990 debido a la demanda de una vida útil más larga [9]. Un sistema de sello dual consta de un sellador "primario", típicamente poliisobutileno (PIB), que proporciona propiedades de retención de gas, y un sello secundario de diversos materiales poliméricos que proporciona integridad estructural a la unidad. Los selladores secundarios de uso común incluyen poliuretano, polisulfuros y polisiliconas. El espaciador, que mantiene separadas las dos láminas de vidrio, está lleno de un material desecante cuyo objetivo es absorber la humedad que ingresa al sello del borde y evitar el ingreso al espacio de gas entre las láminas.

El sistema de sellado dual de una IGU es de gran importancia para la durabilidad del producto, ya que tiene una influencia notable en la tasa de fuga de gas y la permeabilidad al vapor, lo que puede reducir el rendimiento térmico de una ventana [13]. Además de los problemas de retención de gas, la difusión de agua en el sello del borde puede provocar condensación en el espacio entre paneles, lo que pone fin a su vida útil. Si el rendimiento térmico de la ventana se degrada rápidamente con el tiempo, no cumple con los criterios generales de durabilidad.

En la década de 1990, Wolf y Waters descubrieron que el sello secundario de las IGU desempeñaba el papel más importante en la esperanza de vida y la durabilidad de las IGU [14]. Los principales efectos ambientales del envejecimiento y la intemperie en una IGU y un sello son la temperatura, la presión, la luz solar y el oxígeno/ozono, como se muestra en la Figura 4 [13].

Tanto las fluctuaciones de temperatura como de presión provocan tensiones mecánicas en el sello del borde que pueden afectar la elasticidad y acelerar el deterioro físico. La exposición al oxígeno/ozono puede provocar la oxidación de los selladores de vidrio y hacerlos más quebradizos. La luz solar se considera el factor de envejecimiento más importante en las IGU debido a sus efectos térmicos y fotoquímicos en el sellado del borde. Estos factores de envejecimiento actúan en conjunto durante todo el ciclo de vida de las IGU y pueden provocar la degradación del sello y del material de vidrio. Además, la baja recuperación elástica del sello secundario a altas temperaturas acorta la vida útil de las IGU. Wolf y Waters evaluaron los efectos de la temperatura sobre la difusión del vapor de 15 selladores de vidrio aislante siguiendo la norma DIN 53122.

Evaluaron la permeabilidad a 20 °C, 40 °C, 60 °C y 80 °C, y descubrieron que los selladores exhiben de seis a ocho veces más permeabilidad a 60 °C que a 20 °C. Esto indica que el sellador se degradará más rápidamente en los meses de verano que en los meses de invierno, incluso cuando se exponga a altas temperaturas durante un período más corto. Wolf y Waters también observaron que la permeabilidad de los selladores de silicona varía menos en función de la temperatura que aquellos con una base de polisulfuro, como se muestra en la Figura 5 y la Figura 6, lo que indica que las polisiliconas pueden extender la vida útil de los selladores y evitar la penetración de humedad. Tenga en cuenta que para la Figura 5, los selladores etiquetados con b no obtuvieron datos significativos.

Wolf y Waters también analizaron ocho selladores en busca de fallas prematuras debido a la pérdida de adherencia siguiendo la norma ASTM G-53. A todos los selladores se les permitió curar durante seis semanas en condiciones climáticas estándar antes de someterlos a una erosión acelerada. La erosión acelerada de los selladores consistió en exposición a la luz ultravioleta durante 1000, 2000, 5000, 10 000 y 20 000 h seguida de un ciclo de erosión de cuatro horas de exposición a la luz ultravioleta a 65 °C, luego cuatro horas de condensación a 50 °C. Finalmente, las muestras se alargaron un 25% durante 24 h y se consideraron "fallidas" si perdían más del 10% de adhesión. Los resultados de esta prueba revelaron que los selladores de polisulfuro exhibieron la menor resistencia a la exposición a los rayos UV y la menor recuperación elástica, como se muestra en la Figura 7.

Todas las pruebas realizadas por Wolf and Waters demostraron que los selladores de silicona tienen una esperanza de vida mayor que los selladores de polisulfuro, y que tanto el sello secundario como el primario desempeñan un papel en la esperanza de vida. Esta investigación es una introducción útil a los principales factores que conducen a la falla de la IGU y los métodos de prueba estandarizados utilizados para las pruebas de durabilidad y envejecimiento acelerado. Sin embargo, todos los métodos descritos se llevaron a cabo en un laboratorio y no tienen en cuenta la erosión en el campo ni la vinculan con el rendimiento térmico.

Wolf continuó estudiando la esperanza de vida de las unidades de vidrio aislante analizando más a fondo los efectos de la temperatura, las cargas de trabajo, la luz solar, el agua y otras condiciones en el sello [13]. Aunque este artículo ofrece una gran cantidad de datos y conocimientos sobre la durabilidad de las ventanas, se describe poca metodología, lo que dificulta su ampliación o replicación. Al igual que trabajos anteriores, la metodología tampoco logra conectarse con la durabilidad en el campo y el envejecimiento de las IGU.

A diferencia de la mayoría de la literatura sobre durabilidad que normalmente se completa en un laboratorio, Garvin y Wilson utilizaron mediciones en el campo para adquirir datos cuantitativos sobre los parámetros de durabilidad [15]. El objetivo principal de esta investigación fue analizar la vida útil potencial de las ventanas en condiciones reales dada la falta de estudios de durabilidad a largo plazo. El experimento se llevó a cabo en una casa de pruebas en Escocia y duró dos años. Se monitorearon ventanas de diversas orientaciones y construcciones cada 30 minutos para determinar la humedad relativa de la cavidad, la temperatura de la cavidad y la humedad líquida en el sello del borde.

La temperatura ambiente interior se controló mediante calentadores mientras el exterior estuvo expuesto a las condiciones ambientales. Los resultados de humedad mostraron que la humedad relativa media en las cavidades era más alta durante los meses de invierno y para los marcos de madera, probablemente debido a la penetración directa de la lluvia. Las lecturas de temperatura revelaron que las temperaturas de la cavidad eran un reflejo directo de las condiciones externas. Se encontró que la humedad líquida en el sello del borde era mayor en las ventanas completamente encamadas que en los marcos con drenaje y ventilación. En la Figura 8 se muestra una muestra de los resultados para un marco de PVC-U.

Al final del experimento de dos años, los autores afirmaron que todos los resultados eran provisionales y que los resultados de durabilidad sólo podían estimarse. Si bien no se han obtenido resultados concluyentes sobre la durabilidad, este documento ofrece un método de última generación para medir los factores de durabilidad en el campo. Los aparatos y la metodología de prueba pueden ampliarse potencialmente para comparar y validar los estándares existentes de durabilidad y envejecimiento acelerado con datos de campo.

Otro estudio de campo realizado por Booth et al. [16] intentaron determinar los principales impactos ambientales en el sellador primario de las IGU. Su trabajo se centró específicamente en el flujo de sellador primario de poliisobutileno (PIB) en el espacio entre los paneles IGU. El estudio incluyó una inspección visual del flujo de PIB en varios ensamblajes, climas y orientaciones de IGU. Además, Booth et al. completó un estudio fotográfico de cada envolvente de edificio y midió la temperatura de la superficie de las IGU estudiadas. Algunas IGU se retiraron de los edificios para realizar más análisis del PIB en un laboratorio. Los resultados de la inspección de campo mostraron un mayor flujo de PIB para las IGU orientadas al sur, este y oeste. El estudio en laboratorio del PIB extraído mostró descomposición del polímero y cambio de viscosidad. El trabajo realizado en este estudio demuestra la degradación de los selladores de PIB en condiciones ambientales normales, destacando la importancia de la durabilidad de las ventanas. Sin embargo, este artículo carece de datos que puedan ayudar a vincular la durabilidad con el rendimiento térmico general. Además, este artículo solo se centra en un componente de la durabilidad de las IGU y no analiza los elementos relacionados con el envejecimiento y los impactos mayores.

Asphaug et al. descubrió que el envejecimiento y la degradación de los cristales de las ventanas pueden provocar una pérdida de concentración de gases nobles en el espacio entre cristales [5]. Al igual que Wolf y Waters, Asphaug et al. descubrió que la durabilidad de las IGU se caracteriza principalmente por el tipo de espaciador. La falla del sello provoca la pérdida de gas aislante, como argón, criptón, xenón y aire, lo que puede aumentar el factor U de una IGU hasta un 32 %. Su experimento incluyó 18 IGU llenas de gas argón, nueve con súper espaciadores y nueve con espaciadores de aluminio. Las IGU se dividieron en tres grupos con varios métodos de meteorización, incluido un simulador climático, una cámara de calentamiento y una combinación de ambos. La concentración de gas de cada IGU se midió periódicamente durante un lapso de 70 semanas y se representó gráficamente en función del tiempo. Los resultados indicaron más fugas de gas para los espaciadores de aluminio y significativamente más fugas para todas las IGU colocadas en la cámara de calentamiento, como se muestra en la Figura 9.

Los resultados también indicaron una disminución en el factor U en función de la fuga de gas, como se muestra en la Figura 10, pero se proporciona poca información sobre cómo se evalúa el factor U en este estudio.

Por último, se simuló un edificio comercial y residencial para determinar el aumento en la energía del edificio asociado con el menor rendimiento de las ventanas debido al envejecimiento y la pérdida de gas aislante. Los edificios se simularon en un clima dominado por la calefacción para ventanas nuevas, ventanas después de 70 semanas de envejecimiento acelerado, ventanas con una reducción del 50 % en la concentración de gas y ventanas con una reducción del 100 % en la concentración de gas. Las comparaciones de energía para cada una de estas condiciones se compararon durante un año y 20 años.

Al igual que con la concentración de gas, se proporciona poca información sobre el factor U general de las ventanas utilizadas en cada una de las simulaciones. Los resultados de la simulación mostraron que un aumento en la demanda de calefacción durante 20 años debido a la pérdida de concentración de gas sería de hasta 65 MWh para un edificio de oficinas típico y de hasta 1,3 MWh para una vivienda unifamiliar. En la Figura 11 se proporciona una muestra de los resultados.

Si bien este experimento es valioso para determinar los efectos sobre la degradación de la ventana y el valor U de la ventana, no logra correlacionar el envejecimiento acelerado con el envejecimiento en tiempo real y carece de una validación sólida de las mediciones del factor U. El experimento también utiliza muestras de ventanas pequeñas sin variar la orientación o el clima, sin tener en cuenta las condiciones del mundo real. Además, las técnicas de envejecimiento acelerado utilizadas no están estandarizadas y plantean dudas sobre su validez. Es necesario examinar más a fondo la brecha entre los resultados del mundo real y los del laboratorio para relacionar la durabilidad de la ventana con otros factores de rendimiento.

Buddenberg et al. También exploró la relación entre las cargas climáticas y la durabilidad de la IGU [17]. El objetivo de su proyecto DuraSeal era investigar la carga climática sobre el sellado en combinación con la pérdida de gas. Buddenberg et al. Comenzó el experimento exponiendo diez IGU de doble panel y diez IGU de triple panel con diferentes tipos de espaciadores y sellos a una prueba de ciclo de intemperismo descrita por EN 1279. Desafortunadamente, actualmente no hay resultados para la difusión de vapor y gas ni actualizaciones para este proyecto.

En 1998, Burgess [18] resumió varios estándares nacionales para pruebas de durabilidad de IGU para comparar sus bases científicas y su aplicación. Burgess descubrió que muchos de estos métodos utilizan suposiciones similares o son extensiones entre sí, y muchos carecen de verificación científica. Burgess describe y compara diez pruebas estándar diferentes, como se muestra en la Figura 12.

La Figura 12 resalta la falta de puntos en común entre las diez pruebas estándar presentadas, y estos problemas se expanden a más estándares que no figuran en la figura. Debido a la variedad de métodos de prueba y la falta de validación en el campo, hay poco acuerdo sobre cuál es la prueba de durabilidad de la IGU más apropiada. Esto subraya aún más las deficiencias de las pruebas de envejecimiento acelerado en lo que se refiere al rendimiento y la durabilidad reales de la IGU.

Aunque se ha cuestionado la solidez de las pruebas de durabilidad, existen pocos estudios que intenten validar los resultados. Lingnell [19] intentó abordar esta brecha de conocimiento realizando un estudio de campo de 25 años para determinar la correlación de fallas observables de IGU con las clasificaciones de pruebas de intemperismo estandarizadas descritas en ASTM E 773. Este estudio comenzó en 1980 y estuvo compuesto por más de 2400 IGU en todo el mundo. 140 edificios y catorce ciudades de Estados Unidos de diversos climas. La falla de las IGU se indicó mediante inspección visual de falla del sello y/o empañamiento. Las unidades se inspeccionaron a los 10, 15 y 25 años, y las tasas totales de falla se calcularon en 4,9%, 7,9% y 9,2%, respectivamente. Aunque esta investigación ofrece una perspectiva única del rendimiento en el campo que a menudo se pasa por alto, no logra vincular la falla real de la IGU con los procedimientos climáticos estandarizados ni proporciona datos cuantitativos relacionados con el envejecimiento acelerado.

De manera similar, Gjelsvik [20] realizó varios estudios de campo para validar los resultados de las pruebas de envejecimiento acelerado siguiendo los estándares noruegos. La prueba de campo más inclusiva de Gjelsvik consistió en 2040 IGU de diez marcas diferentes y doce años de instalación. El estudio de campo tuvo lugar en 1963 y la mayoría de los resultados del artículo son cualitativos. Aunque Gjelsvik afirma que la correlación entre las pruebas de laboratorio y las pruebas de campo es "sorprendentemente buena", se proporcionan pocos datos que respalden esta afirmación. Este artículo destaca la falta de conocimiento sobre las pruebas de durabilidad y las dificultades de las pruebas de campo a largo plazo.

Debido a las dificultades de las pruebas de campo a largo plazo para detectar fallas de IGU, Pylkki y Doll [21] desarrollaron un programa de simulación predictiva para mejorar la durabilidad de IGU a medida que se desarrollan los diseños. La simulación se compone de un modelo térmico, un modelo de permeación y un modelo de estrés como respuesta a las tensiones ambientales en una IGU. El usuario puede ensamblar una IGU definiendo dimensiones, revestimientos, materiales selladores y más. La simulación utiliza bases de datos para otros parámetros comunes, como las propiedades ópticas y de los materiales. Los resultados indican la distribución de 44 modos de falla diferentes y el tiempo hasta la falla.

Actualmente, no existe ninguna validación de la herramienta de simulación. Aunque esta herramienta ofrece un método prometedor para acelerar la determinación de los modos de falla, en última instancia debe validarse para fallas de IGU del mundo real. Este artículo ilustra nuevamente la necesidad de realizar pruebas de durabilidad en el campo para validar tanto las simulaciones como los estándares de envejecimiento acelerado.

Gubbels et al. [22] realizaron un estudio que examinó la conductividad térmica de paneles aislados al vacío (VIP) tras un envejecimiento acelerado. Los autores utilizaron una cámara climática para realizar ciclos de VIP entre -20 °C y 80 °C y 10% y 90% de humedad relativa durante 24 horas al día y siete días a la semana. Después de una semana, se sacaron los paneles de la cámara y se midió la conductividad térmica utilizando un medidor de flujo de calor de acuerdo con la norma ISO 8301. Aunque los resultados de este estudio no pertenecen directamente a esta investigación, la metodología es útil y la El trabajo de investigación es uno de los pocos que vincula el envejecimiento con el rendimiento térmico de una construcción transparente. El trabajo realizado por Schwab et al. [23] y Fantucci et al. [24] también consideraron los efectos de la durabilidad sobre el rendimiento térmico de los VIP y ofrecen medios para ampliar la metodología de futuras investigaciones en este campo.

2.2. Durabilidad del revestimiento de baja emisividad

Otro aspecto de la durabilidad de la ventana es la condición del revestimiento de baja emisividad (baja emisividad). La mayoría de las ventanas de baja emisividad se componen de al menos una película metálica delgada y transparente entre capas dieléctricas. La elección de las capas dieléctricas se realiza para optimizar la durabilidad y proteger la capa metálica. La plata se utiliza más comúnmente como capa metálica debido a su alta reflectancia infrarroja y baja absorbancia de luz [25]. La durabilidad del revestimiento de baja emisividad es significativa debido al impacto que tiene el coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC) en la eficiencia energética del edificio. Al igual que el factor U, un SHGC más alto genera un mayor calor dentro del espacio debido a la transmisión solar adicional. Esta transmisión adicional aumenta las cargas de espacio en los meses de verano, lo que genera mayores requisitos de equipos y un mayor consumo general de energía en los edificios.

Miyazaki y Ando [26] analizan la mejora de la durabilidad de los recubrimientos de baja emisividad a base de plata. En su estudio, investigaron la degradación de una capa de plata intercalada entre dos capas de óxido de zinc. El proceso de degradación estuvo compuesto por una prueba de humedad a 50 °C, 95% de humedad relativa durante 144 h. Después de esta prueba, Miyazaki y Ando utilizaron microscopía electrónica, espectroscopia de rayos X de dispersión de energía y difracción de rayos X para compararla con la nueva muestra. Descubrieron que las películas de zinc tenían una gran tensión interna bajo una presión de gas más alta que se redujo agregando aluminio, como se muestra en la Figura 13.

Estos dos métodos también mejoraron la durabilidad del recubrimiento general de baja emisividad. De manera similar, Ross [27] estudió los efectos de la degradación inducida por la humedad de los recubrimientos de baja emisividad a base de plata. Ross completó tres experimentos para comparar el estado de las películas antes y después del envejecimiento inducido. El primer experimento estuvo compuesto por películas de baja emisividad con diversas barreras de zinc expuestas a temperatura ambiente y 95 % de humedad relativa durante cuatro días sobre una solución de KCl. En los otros dos experimentos se colocaron muestras en una cámara a 50 °C y 95 % de humedad relativa durante cuatro días y se examinaron mediante microscopía óptica o microscopía electrónica de transmisión para observar diferentes efectos de degradación. Ross descubrió que la degradación inducida por la humedad es causada por la reestructuración física de la capa de plata y no por una reacción química. Ross también descubrió que la degradación estaba regida por la temperatura y la humedad.

Si bien estos trabajos proporcionan una metodología útil para envejecer muestras de baja emisividad, se centran más en la degradación física a pequeña escala que en los efectos que la degradación tendría en los factores generales de rendimiento térmico de las IGU, como el factor U y el SHGC.

2.3. Métodos de prueba de durabilidad

Debido a las diversas influencias ambientales de una IGU que pueden provocar fallas de sellado y de baja emisividad, como agua/vapor de agua, fluctuaciones de temperatura y cargas de trabajo, es imperativo desarrollar métodos de prueba para cuantificar la durabilidad en función de la intemperie y envejecimiento. Las pruebas y los estándares de calidad en los EE. UU. se introdujeron por primera vez para las IGU en la década de 1980 [28]. Desde entonces, varios países han desarrollado sus propios estándares para evaluar la durabilidad de las ventanas. Sin embargo, se desconoce la precisión e idoneidad de muchos de estos métodos [18]. Muchos métodos de prueba han sido pruebas de desarrollo propio de la industria para garantizar la comodidad de los ocupantes y extender la vida útil de las ventanas con un enfoque limitado en el rendimiento térmico. Otros métodos de prueba se centran en un problema singular, como la entrada de humedad en el espacio de gas entre los paneles, lo que ignora la calidad sinérgica de los efectos de la intemperie y dificulta el propósito general de la prueba [18].

La mayoría de los métodos de prueba, incluida la ASTM E 2188, inducen artificialmente la erosión y analizan el contenido de humedad de las IGU de muestra, pero no tienen en cuenta la exposición natural. Si bien la inducción de efectos climáticos artificiales puede dar una buena idea de su influencia en el envejecimiento y la durabilidad de las ventanas, no reproduce completamente las condiciones del mundo real y pasa por alto ciertos impactos. El acondicionamiento artificial generalmente implica pruebas de intemperismo acelerado de calentamiento, enfriamiento y rociado de agua cíclicos, simétricos o asimétricos, donde la temperatura de la muestra cambia de alta a baja. Además, la iluminación UV se utiliza para inducir la degradación química de los materiales de sellado de bordes en determinadas partes del ciclo térmico. Sin embargo, estas pruebas y su verificación científica han sido cuestionadas [18] y hay poca comprensión sobre cuán realistas son [29]. Debido a la abundancia de métodos con diversos objetivos, hay poco acuerdo sobre los principales factores que provocan el fallo de la IGU o cuál es el mejor estándar para cuantificar la durabilidad de las ventanas [18].

3.1. Métodos y simulaciones de calificación del desempeño

Es necesario comprender el rendimiento térmico y óptico para determinar los impactos generales que tienen el envejecimiento y la durabilidad en la esperanza de vida de la IGU. El rendimiento de una IGU se puede dividir en tres componentes principales: conductividad térmica (factor U), coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC) y transmitancia de luz visible (VLT). El factor U y SHGC representan el rendimiento térmico de una ventana al definir la transferencia de calor por conducción y radiación, respectivamente. El VLT de una ventana está relacionado con el confort visual y es la medida de la cantidad de luz visible que atraviesa el vidrio.

Se utilizan estándares de rendimiento térmico basados ​​en laboratorio para confirmar que las IGU se comportan según lo previsto antes de su instalación. Un estándar para medir el factor U de la ventana es ASTM C1199-14. Esta norma cubre el proceso y la calibración necesarios para medir la transmitancia térmica en estado estacionario de los sistemas de fenestración en un laboratorio. La Figura 14 muestra la configuración de prueba requerida para ASTM C1199-14 y resalta su complejidad y gran tamaño.

ASTM C1199-14 requiere que todas las pruebas se realicen con un tamaño de muestra estándar y extrapolar los resultados para cualquier otro tamaño; Esto dificulta la aplicación del método de prueba en el mundo real, ya que el tamaño de las ventanas varía en todos los tipos de edificios. La norma no tiene en cuenta los puentes térmicos ni los efectos de la radiación, que son factores importantes en el rendimiento y la durabilidad de las ventanas en el campo. Debido a estos inconvenientes, la propia norma establece que “los resultados obtenidos no reflejan el desempeño que se espera de las instalaciones de campo”, lo que lleva a los usuarios a cuestionar la viabilidad de los resultados obtenidos de la norma.

ASTM C518-21 es un método de prueba estándar para la transmisión térmica en estado estacionario a través de muestras de losas planas utilizando un aparato medidor de flujo de calor. Esta norma se puede aplicar a cualquier material, incluidas las muestras de vidrio. El flujo de calor unidimensional en estado estacionario a través de una muestra se genera a través de dos placas paralelas. La ley de conducción del calor de Fourier se utiliza para calcular la conductividad térmica basándose en las mediciones del flujo de calor y la temperatura de la placa. Este método ofrece una forma rápida y sencilla de medir las propiedades térmicas de muestras de ventanas utilizando un medidor de flujo de calor; sin embargo, el aparato de prueba suele ser grande y no puede usarse en el campo. La Figura 15 muestra un ensamblaje típico que utiliza dos transductores de flujo de calor y una muestra.

También se utilizan herramientas de simulación para estimar y confirmar el rendimiento térmico de ventanas e IGU. Una de las principales herramientas de simulación para cuantificar el desempeño de IGU es WINDOW 7.8. Esto sigue los métodos de simulación cubiertos en los estándares NRFC y se utiliza para la certificación de la industria. También se encuentran disponibles herramientas avanzadas de simulación de transferencia de calor, como las basadas en elementos finitos y métodos de diferencias finitas, aunque a menudo requieren más suposiciones e insumos y, por lo general, no pueden predecir el rendimiento inestable a largo plazo debido a complicaciones y costos computacionales. Las simulaciones son convenientes, pero no se puede confiar en ellas solas para producir una representación sistemática del desempeño del mundo real.

3.2. Medición del rendimiento térmico in situ

Como se señaló en la sección anterior, los estándares existentes se aplican en entornos de laboratorio y utilizan tamaños de muestra específicos que no reflejan las condiciones reales de las ventanas y los elementos de construcción en el campo. Debido a esto, se han estudiado cada vez más técnicas de medición precisas para determinar la legitimidad del uso de técnicas en tiempo real en el campo para lograr un rendimiento térmico más preciso y representativo. La caracterización térmica de los componentes de la construcción se puede determinar mediante varios métodos, como lo describen Soares et al. [30]. El primer método analizado para medir el factor U es el método del medidor de flujo de calor (HFM), ya que es la técnica más utilizada. Este método está reconocido internacionalmente como ISO 9869-1, no es invasivo y liviano, y puede usarse tanto en un laboratorio como in situ.

Sin embargo, la medición requiere mucho tiempo, depende de la calibración, es costosa y no considera toda la superficie del elemento medido. La evaluación del factor U basada en este método se puede determinar mediante el método promedio o el método dinámico. El método promedio supone que la conductancia se puede determinar dividiendo la densidad media del flujo de calor por la diferencia de temperatura media durante un período suficientemente largo. Para el método dinámico, el elemento constructivo se representa en un modelo mediante su conductancia y varias constantes de tiempo que se resuelven utilizando un conjunto determinado de algoritmos.

Existe una extensa literatura que compara los dos métodos, con el consenso de que el método dinámico es más preciso pero mucho más intensivo que el método promedio. El siguiente método analizado es el método de placa caliente protegida (GHP). Este método es preciso pero requiere un banco de pruebas grande y costoso. El siguiente es el método de caja caliente (HB). Al igual que el GHP, el banco de pruebas es demasiado grande y no es adecuado para mediciones sobre el terreno. El último método examinado es el método de termografía infrarroja (IRT). Este método es no destructivo, flexible, liviano, rápido y considera superficies enteras del objeto medido. Las desventajas de este método son el alto costo, la pronunciada curva de aprendizaje, la dependencia del clima y los resultados mixtos para su uso en construcciones transparentes.

3.2.1. Método del medidor de flujo de calor

El método del flujo de calor se describe en la norma ISO 9869-1. A diferencia de ASTM C518-21, este método se puede utilizar en el campo y permite utilizar un aparato de prueba pequeño y portátil. La norma ISO 9869-1 describe el procedimiento para medir la resistencia térmica de elementos de construcción en condiciones de estado estacionario. El aparato se compone de un medidor de flujo de calor y sensores de temperatura. El medidor de flujo de calor suele ser una placa delgada que mide el flujo de calor a través de una muestra de construcción. Los sensores de temperatura suelen ser termopares colocados para medir la temperatura ambiente y de la superficie. ISO 9869-1 ofrece un método simple y robusto para medir el rendimiento térmico, pero requiere largos tiempos de prueba para alcanzar el estado estable y debe completarse en condiciones climáticas ideales. Este método se utiliza normalmente en construcciones opacas y aún se está discutiendo su confiabilidad para su uso en ventanas.

greenTEG llevó a cabo un estudio para determinar si su kit de valor U gSKIN, utilizado normalmente para mediciones del factor U de componentes opacos de construcción, podría aplicarse a las ventanas [31]. El kit de valor U gSKIN mostró criterios de desviación estándar aceptables (según ISO 9869-1) de mediciones del factor U de pared del 2,8 % para paredes orientadas al sur. Luego se repitió la misma configuración de flujo de calor descrita en ISO 9869 para una ventana de 50 cm por 90 cm en el lado sur de una casa de prueba. El sensor de flujo de calor se fijó en el lado interior de la ventana con dos sensores de temperatura en el interior y el exterior, a una distancia de 3 a 5 cm de la superficie de la ventana. Esta configuración se muestra en la Figura 16.

Se tomaron tres mediciones nocturnas durante varias horas con condiciones climáticas estables para anular los efectos del viento y la radiación solar y se evaluaron con el software greenTEG. En la Figura 17 se proporcionan gráficos de estas mediciones.

Los resultados calculados a partir de las mediciones dieron un factor U promedio de 2,10 W/m2K y una desviación estándar del 3,1%. El rango de resultados del valor U y la desviación estándar se encuentran dentro de los criterios aceptables descritos en ISO 9869-1. La prueba se repitió durante el día con resultados poco fiables debido a la radiación y transmitancia solar. Por esta razón, el autor recomienda realizar todas las mediciones por la tarde, después de que se haya puesto el sol. Este trabajo ofrece resultados prometedores para un método fácil y preciso para medir el factor U de ventana en el campo.

Sin embargo, la prueba se repitió sólo para una ventana orientada al sur durante tres noches sin mencionar los intervalos de medición. Para garantizar la precisión, este método de prueba debe repetirse durante varias noches con una resolución más alta para varios tipos, tamaños y orientaciones de ventanas. Este documento tampoco describe el método de cálculo utilizado para el factor U y se supone que se utiliza el método promedio según ISO 9869-1. Esto podría dar lugar a posibles imprecisiones del factor U debido a la falta de condiciones de estado estable causadas por condiciones climáticas como el viento y las fluctuaciones de temperatura.

Feng et al. [32] desarrollaron su propio sistema de medición accesible in situ de ventanas de edificios basado en los fundamentos del método del flujo de calor y la norma ISO 9869-1. Feng et al. utilizó dos objetos impresos en 3D hechos de acrilonitrilo butadieno estireno con propiedades térmicas conocidas, tres sensores de temperatura y un registrador de datos como configuración de medición, como se muestra en la Figura 18.

Los termopares de la Figura 18 miden la temperatura del aire interior, la temperatura del aire exterior y la temperatura de la superficie interior. Asumieron un estado estacionario para que el flujo de calor a través del objeto impreso en 3D y la ventana pudieran ser iguales, y las ecuaciones se simplificaron. Al hacerlo, pudieron estimar el factor U del centro del vidrio de la ventana en función de tres temperaturas y el valor R del objeto 3D. Las tres temperaturas fueron procesadas cada segundo por un microcontrolador y representadas en función del tiempo durante varias horas por la noche para evitar los efectos de la radiación solar. Se tomaron tres mediciones con diversas condiciones exteriores en una ventana de doble panel con una clasificación de factor U del fabricante de 2,97 W/m2K.

La primera medición se realizó con una temperatura interior de 24,1 °C y una temperatura exterior de 6,3 °C. Se necesitaron 35 minutos para alcanzar el estado estable y el factor U medido fue de 3,15 W/m2K, un error del 6,1 % en comparación con el valor conocido. La segunda medición se realizó con una temperatura interior de 23,7 °C y una temperatura exterior de 8,4 °C. Se necesitaron 35 minutos para alcanzar el estado estable y el factor U medido fue de 3,26 W/m2K, un error del 9,8 % en comparación con el valor conocido. La tercera medición se realizó con una temperatura interior de 23,8 °C y una temperatura exterior de 18,2 °C. Se necesitaron 40 minutos para alcanzar el estado estable y el factor U medido fue de 2,32 W/m2K, un error del 21,6 % en comparación con el valor conocido. La Figura 19, Figura 20 y Figura 21 muestran los resultados de cada medición.

Feng et al. [32] descubrieron que el factor U medido es más preciso cuando hay una diferencia de temperatura de al menos 15 °C entre las condiciones interiores y exteriores. Este experimento ofrece un método HFM que es económico y accesible. Sigue el procedimiento de la norma ISO 9869-1 y produce resultados prometedores para medir el factor U in situ cuando las condiciones son óptimas. Cabe señalar que no se tienen en cuenta los efectos del marco/puentes térmicos, lo que lleva a resultados simplificados.

Ficco et al. [33] presentan sus métodos y resultados de la evaluación del rendimiento de varios métodos HFM para evaluar la influencia de las condiciones exteriores. Su principal objetivo es comparar los resultados del factor U del método típico ISO 9869-1 con resultados in situ donde las condiciones exteriores influyen. Los autores asumen condiciones monodimensionales y de estado estacionario para simplificar las ecuaciones y utilizan el método HFM como se describe en la norma ISO 9869-1. Utilizaron cuatro sensores de flujo de calor diferentes de diversas formas, tamaños y precisiones en siete componentes diferentes de la envolvente, siendo de particular interés una construcción transparente. La prueba para la muestra de ventana se realizó en invierno durante cuatro duraciones de muestra diferentes: 3 h, 6 h, 9 h y 12 h. Todas las duraciones de las muestras tuvieron una frecuencia de medición de 15 min. Esta medición se realizó de acuerdo con la norma ISO 9869. Los factores U medidos se compararon con valores conocidos determinados mediante tres métodos que se detallan a continuación:

Los autores consideraron que el método uno no era confiable y, por lo tanto, lo eliminaron de sus resultados. Sus resultados para la muestra de ventana muestran un rango de precisión para cada prueba y cada medidor de flujo de calor. Promediaron los resultados para cada duración de muestra y encontraron que los factores U eran 3,19 W/m2K, 3,2 W/m2K, 1,81 W/m2K y 3,16 W/m2K para cuatro técnicas de medición HFM diferentes. Estos se comparan con el conocido factor U de 3,3 W/m2K. En la Figura 22 se proporciona un diagrama de caja y bigotes de estos valores in situ, junto con los valores U2 y U3 medidos en el laboratorio y sus incertidumbres.

Sus resultados encontraron que los componentes livianos, como la ventana, daban como resultado incertidumbres reducidas con tiempos de muestreo más cortos en comparación con los componentes pesados. Esta investigación nuevamente muestra promesa en el uso del HFM in situ, pero fomenta estimaciones rigurosas de incertidumbre del factor U y posprocesamiento para lograr resultados precisos. Al igual que en el trabajo anterior, Ficco et al. utilizó el método promedio para calcular el factor U, que es menos preciso que el método dinámico.

En general, la literatura muestra que el método HFM puede ser confiable para determinar el factor U IGU en condiciones adecuadas. Estas condiciones incluyen, entre otras, ausencia de interacciones solares, baja velocidad del viento y largos tiempos de prueba para alcanzar el estado estable. Además, la investigación actual encontró que el método dinámico para calcular el factor U es más preciso que el método promedio y permite un tiempo de prueba más corto en el campo. El método HFM ofrece un enfoque portátil y no destructivo para determinar la IGU y el factor U de ventana in situ.

3.2.2. Método infrarrojo

Otro método prometedor para medir el factor U de la ventana in situ es el método infrarrojo. El aparato consta de una cámara de infrarrojos, un sensor de coeficiente de transferencia de calor, un sensor ET y termopares. Este método mide la cantidad de irradiancia de las regiones en contacto con el aire exterior a partir de la temperatura de la superficie, el coeficiente total de transferencia de calor y la temperatura ambiente. En comparación con el método de flujo de calor, el infrarrojo ofrece un tiempo de prueba más corto, más flexibilidad en el área/ubicación de medición y menos interferencia con las construcciones de edificios. El método infrarrojo se describe en la norma ISO 9869-2 para construcciones de envolventes opacas y los resultados de precisión para construcciones transparentes son mixtos.

En la Figura 23 se proporciona un ejemplo del aparato de prueba. Los sensores ET se usan para medir la temperatura ambiental de las regiones del objeto a medir, y el sensor del coeficiente de transferencia de calor se usa para estimar el coeficiente total de transferencia de calor de la superficie a medir. Medido. Los termopares están dispuestos para medir la temperatura del aire interior, la temperatura del aire exterior y al menos una temperatura de la superficie. El componente principal de la instalación es la cámara de infrarrojos que captura una imagen térmica de la superficie.

Maroy et al. [34] evaluaron el potencial del uso de tecnología infrarroja (IRT) para determinar el rendimiento térmico de las IGU siguiendo las pautas ISO 9869-2. Los investigadores comenzaron realizando un análisis de sensibilidad para comprender en qué condiciones se podría alcanzar el estado estacionario en función de la irradiación solar, la velocidad del viento, las condiciones de cielo despejado y el gradiente de temperatura. Los resultados del análisis de sensibilidad muestran que se puede lograr el estado estacionario bajo las siguientes condiciones límite: cielo completamente nublado (o de noche) y una diferencia de temperatura de al menos 15 °C entre las temperaturas exterior e interior. En el siguiente paso, los autores examinaron las mediciones IRT y los cálculos del factor U en un laboratorio y las compararon con la resistencia térmica basada en mediciones del flujo de calor y métodos EN673.

Los autores utilizaron una caja calentada para mantener una diferencia de temperatura de 20 °C en una muestra de vidrio. El interior estaba recubierto de negro para evitar la reflectancia y los coeficientes de transferencia de calor se determinaron basándose únicamente en las temperaturas, ya que no había viento. Se colocaron sensores de flujo de calor y sensores de temperatura dentro de la caja y en la superficie de la muestra de vidrio para usarse en comparaciones de factor U con los métodos IRT. Los valores de resistencia térmica utilizando el método IRT se calcularon utilizando dos métodos diferentes de coeficiente de transferencia de calor por convección (CHTC). El primer método utilizó una ecuación basada en la convección natural y subestimó el valor de resistencia total. El segundo método derivó el CHTC interno a partir del flujo de calor medido, lo que condujo a una mayor precisión, pero a menudo es inaccesible in situ.

A continuación, los autores realizaron cuatro casos in situ de varios tipos de acristalamiento. Descubrieron que la desviación entre la temperatura de la superficie del IRT y los sensores de temperatura era mayor in situ que en el laboratorio debido a los efectos de la reflexión especular. Los resultados de los casos in situ indican una alta sensibilidad a los coeficientes de transferencia de calor internos y externos y a la temperatura del aire exterior. La Figura 24 muestra los resultados de los valores de resistencia para el Caso 3 (triple acristalamiento con argón). Esta figura muestra la alta variación de los valores R medidos (que se muestran como cuadrados negros, naranjas y verdes) en comparación con un valor conocido (línea negra).

Maroy et al. [34] concluyen que si bien la IRT se puede utilizar para el análisis cualitativo de la condición de aislamiento, no se debe utilizar para estimar la resistencia térmica real/factor U. Además, los autores destacan la importancia de las condiciones ideales durante la inspección IRT, como tiempo nublado y una diferencia de temperatura de al menos 15 °C entre los espacios interiores y exteriores.

Varshney et al. También presentó una técnica novedosa para medir el factor U de las ventanas in situ utilizando IRT [35]. Para sus mediciones de campo, Varshney et al. analizó edificios residenciales y comerciales con varios tipos de ventanas. Todas las temperaturas en el campo se midieron con un termómetro de infrarrojos, excepto las temperaturas de la superficie de las ventanas exteriores de los edificios de varios pisos. Debido a la altura, la lectura de la cámara de infrarrojos era inexacta, por lo que en su lugar se utilizó un termopar tipo K conectado a la cámara de infrarrojos. Los factores U en varias ubicaciones en diez ventanas diferentes se calcularon utilizando una ecuación proporcionada por NFRC en función de múltiples temperaturas interiores y exteriores. Los autores compararon las mediciones del factor U en el campo con las mediciones del factor U en el laboratorio para desarrollar un factor de corrección basado en la temperatura exterior. Esta ecuación del factor U corregida se utiliza para todos los análisis de mediciones de campo futuros en su estudio. Los resultados de sus mediciones mostraron que todos los factores U medidos en laboratorio estaban dentro del 10% de los valores clasificados por la NFRC.

Este documento ofrece promesas para el uso de IRT en ventanas en el campo; sin embargo, a la investigación le falta cierta información sobre los valores detallados de los resultados, el tiempo de muestreo, las condiciones, la orientación de las ventanas, el clima, etc.

Parque y col. utilizó ISO 9869-2 como base para determinar la precisión del infrarrojo para medir el factor U de la ventana [36]. En este artículo, los autores midieron el factor U de una muestra de ventana utilizando el estándar de evaluación de desempeño KSF 2278, el método de flujo de calor y el método IR. El método IR se repitió en dos casos; el caso uno aplica un coeficiente de superficie de 9,09 W/m2K según la norma coreana de diseño de ahorro de energía y el caso dos aplica un coeficiente de superficie de 7,69 W/m2K según ISO 6946. Todos los casos se compararon con KSF 2278 para determinar su precisión. KSF 2278 requiere un aparato de prueba grande que cree condiciones de frío y calor en una muestra de prueba. El factor U se calcula en función de las temperaturas de la cámara, el calor suministrado a la cámara, la resistencia a la transferencia de calor de la superficie y el área de la muestra.

El método HFM utilizado por los autores consistió en medir las temperaturas internas, externas y superficiales y el flujo de calor utilizando un sensor de flujo de calor y termopares tipo T. Se adjuntó un sensor de flujo de calor a la muestra de vidrio en el centro, las esquinas y el marco; el factor U promedio se calculó basándose en un promedio ponderado por área de cada valor medido. Los autores también utilizaron el método promedio para calcular el valor U basado en el flujo de calor y la temperatura después de que la muestra alcanzó el estado estacionario. Para el método IR, se creó un cuerpo negro para corregir la emisividad y la reflectancia, luego se tomó la temperatura de la superficie de la muestra de la ventana real. El factor U se evaluó en función de la temperatura de la superficie medida y el coeficiente de la superficie utilizando el caso uno o el caso dos mencionados anteriormente. Los resultados mostraron que los errores relativos para el HFM, el caso uno de IR y el caso dos de IR son 5,9%, 3,05% y 11,81%, respectivamente. Los diagramas de caja de estos resultados se muestran en la Figura 25, Figura 26 y Figura 27.

Este estudio ofrece resultados prometedores tanto para HFM como para IRT en ventanas en el laboratorio, pero no logra repetir el procedimiento in situ. Todas las pruebas se realizaron en un laboratorio con condiciones estables, lo que indica que los resultados podrían ser inexactos cuando se realizan al aire libre. Además, la diferencia en la precisión debido a la estimación del coeficiente de superficie sugiere la necesidad de repetir este estudio en condiciones específicas.

De manera similar, Lu y Memari [37] evaluaron la efectividad de la termografía infrarroja validándola con los resultados del método HFM. Lu y Memari utilizaron la casa MorningStar Solar como edificio para mediciones in situ. Comenzaron instalando sensores de temperatura, humedad y flujo de calor para producir resultados siguiendo el método HFM. Los autores compararon los resultados del HFM con cinco modelos IRT diferentes. Se midió que el valor R promedio de HFM, o línea de base, era 1,372 m2K/W. Los resultados para los modelos de Garg, Berger, Clark, Bliss y Melchor fueron 1.237 m2K/W, 1.014 m2K/W, 1.241 m2K/W, 1.170 m2K/W y 1.110 m2K/W, respectivamente.

Los autores concluyen que todos los métodos TRI propuestos están dentro del error aceptable del método HFM, siendo el modelo de Garg y el modelo de Clark los que funcionan mejor. Este estudio proporciona más detalles sobre la temperatura del cielo y los coeficientes de transferencia de calor y muestra resultados alentadores para el uso de IRT en el campo. Sin embargo, este documento utiliza el HFM como validación, lo cual es motivo de preocupación ya que existen imprecisiones inherentes dentro de la metodología HFM. Los resultados también deben validarse con calificaciones del fabricante y/o técnicas de medición del factor U más estandarizadas para corroborar aún más los hallazgos.

La literatura actual tiene resultados mixtos sobre la precisión del método TRI para medir el factor U. Esto surge de la dificultad de medir los coeficientes de transferencia de calor que desempeñan un papel importante en el rendimiento térmico de todos los componentes de la envolvente. La mayoría de los trabajos intentan validar el método TRI por sí solo; sin embargo, falta una metodología que combine el método HFM con el método IRT.

3.2.3. Método de medición SHGC

Otra métrica de rendimiento térmico para componentes de edificios transparentes es el coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC). SHGC representa la fracción de calor solar que puede pasar a través de una ventana hacia un espacio. El coeficiente SGHC añade una carga térmica al espacio, aumentando la refrigeración necesaria en los meses cálidos, pero reduciendo la calefacción necesaria en los meses más fríos. El SHGC se puede modificar utilizando diferentes revestimientos en el vidrio de la ventana, como de baja emisividad, y mediante la implementación de dispositivos de sombreado/sombras naturales.

Marinoski et al. [38] presentaron un estudio sobre un sistema mejorado para medir la ganancia de calor solar a través de ventanas. Su configuración de prueba consistió en vidrio transparente que medía 21 cm por 21 cm dentro de un prototipo de radiómetro de fenestración que constaba de ventiladores de refrigeración, medidores de flujo de calor y un sistema de soporte, como se muestra. En la Figura 28 se muestra una fotografía de la configuración real.

La intensidad de la radiación solar incidente se midió con un piranómetro global colocado en el mismo plano que la muestra de vidrio. El factor solar medido utilizando el radiómetro se calculó dividiendo la densidad del flujo de calor a través de los sensores de flujo de calor por la densidad de radiación solar incidente en la muestra. La prueba principal desarrolló constantes de calibración del medidor de flujo de calor para mejorar los resultados de la medición del Factor Solar. Los resultados de la configuración calibrada muestran que el factor solar medido estuvo dentro de una variación del 5,4% de los valores de referencia calculados utilizando ISO 9050.

La prueba final utilizó un sistema de refrigeración por circulación de agua en lugar de los ventiladores originales para mejorar la refrigeración de los medidores de flujo de calor. Los resultados al utilizar un sistema de enfriamiento por circulación de agua muestran que el factor solar medido estuvo dentro de una variación del 0,94% de los valores de referencia calculados utilizando ISO 9050. Este documento muestra resultados prometedores para medir con precisión el SHGC de muestras de ventanas en comparación con un valor de referencia calculado. Sin embargo, el prototipo actual no se puede utilizar en ventanas instaladas debido al requisito de tamaño de la muestra y la configuración del prototipo. Este artículo ofrece una buena metodología inicial que se puede aplicar a un nuevo sistema que se puede utilizar in situ más fácilmente.

3.3. Deficiencias de rendimiento térmico

Si bien los estándares y las simulaciones son útiles para confirmar el rendimiento instalado, la medición del rendimiento in situ es necesaria para determinar cómo se comportan las IGU a lo largo del tiempo. Medir el rendimiento térmico de las IGU y ventanas existentes en el campo se vuelve aún más complicado debido a las limitaciones de espacio, los efectos ambientales y la falta de información sobre las ventanas instaladas. Los métodos de prueba estandarizados actuales para medir el rendimiento térmico de las IGU requieren grandes aparatos de prueba con tamaños de muestra específicos. Estos métodos de prueba existentes son invasivos y no se pueden aplicar a edificios existentes sin la demolición de la envolvente.

Sin embargo, existen métodos prometedores para medir el factor U in situ, incluidos los medidores de flujo de calor portátiles y el método infrarrojo. El kit gSKIN de greenTEG utiliza el método del medidor de flujo de calor, que es portátil y fácil de usar, pero depende en gran medida de las condiciones exteriores. De manera similar, los resultados del uso de tecnología IR muestran dependencia de condiciones como la temperatura, la luz solar y el viento [31]. La investigación realizada utilizando tanto el método de flujo de calor como el de infrarrojos no tiene en cuenta otros factores como la ubicación, el tamaño o la edad. Aunque estos métodos son prometedores para medir el desempeño en el campo y son un buen punto de partida, se necesita más investigación y verificación para determinar la legitimidad de medir el factor U in situ.

Marinoski, Güths, Pereira y Lamberts [38] están investigando métodos para medir SHGC in situ. Al igual que las técnicas de medición del factor U, estos métodos requieren condiciones ideales y análisis adicionales para determinar si los métodos son confiables en el campo. Ni el factor U ni las técnicas de medición SHGC consideran la naturaleza interrelacionada de varios modos de falla. Las mediciones del factor U y las mediciones de SHGC por sí solas no pueden distinguir la causa principal de la degradación del rendimiento dentro de una IGU. Es necesario desarrollar un método confiable y accesible para medir el desempeño de las IGU en el campo en lo que se refiere a la durabilidad de las IGU y el desempeño general de los edificios existentes.

Aunque las pruebas de laboratorio son beneficiosas para determinar el rendimiento instalado y compararlo con otros productos, no son tan flexibles ni sólidas como las mediciones in situ. La durabilidad de la IGU es un factor de edad y condiciones climáticas que no se puede replicar por completo en el laboratorio; Se necesitan mediciones en tiempo real y en el mundo real para vincular con precisión la durabilidad con el rendimiento térmico. Es mucho más difícil realizar la caracterización térmica de las ventanas de los edificios existentes ya que las propiedades del material a menudo se desconocen [22]. Debido a esto, también se necesitan métodos de medición in situ para medir el factor U y evaluar el revestimiento de baja emisividad de las ventanas existentes para abordar las necesidades de modernización. Se necesita un nuevo método que también pueda diferenciar los cambios de rendimiento debidos tanto a la pérdida de gas como al deterioro del recubrimiento de baja emisividad para comprender mejor el vínculo entre degradación y rendimiento.

Dado que las ventanas son el punto débil de la envolvente del edificio, su rendimiento es de suma importancia para el consumo energético general del edificio. Tanto la durabilidad como el rendimiento térmico de las IGU pueden generar mayores cargas dentro de un espacio; Estos efectos se extienden a todos los componentes del edificio y, en última instancia, conducen a un aumento de los requisitos y costos energéticos del edificio.

Las calificaciones y simulaciones no tienen en cuenta la durabilidad de las ventanas ni los efectos del envejecimiento, lo que lleva a una subestimación del consumo anual de energía del edificio de hasta un 14 % por edificio según un modelo de caja negra de un edificio de oficinas típico ubicado en Denver, como se muestra en la Figura 29. .

Duan et al. [39] consideran los efectos de la condensación en ventanas de baja emisividad en el uso general de energía del edificio. Duan et al. Tenga en cuenta que las superficies de acristalamiento interiores con revestimientos de baja emisividad añadidos son más frías que las que no los tienen y pueden aumentar el riesgo de condensación. La condensación dentro de los paneles de una IGU reduce el rendimiento energético y afecta a todos los equipos del edificio. Los autores de este artículo optaron por centrarse en la condensación porque ningún estudio previo consideró los impactos en todo el edificio. Los autores ampliaron el modelo de condensación cinematográfica de Nusselt para validar su propio modelo analítico.

Luego crearon una serie de comparaciones del uso de energía de los edificios dentro de EnergyPlus. Los autores descubrieron que las películas de baja emisividad en ventanas de un solo panel no son adecuadas para climas más fríos debido a los efectos de la condensación. La Figura 30 muestra la diferencia en el ahorro anual de energía en calefacción teniendo y sin considerar los efectos de la condensación aplicados a las ventanas modernizadas. Revela que puede haber una pérdida de ahorros en las zonas climáticas 5 a 7 cuando se considera la condensación.

Este documento ofrece una buena guía sobre la metodología de modelado energético y cómo evaluar el consumo energético general del edificio debido a cambios en las métricas de rendimiento de las ventanas. Sin embargo, este artículo no evalúa los efectos de la condensación en el campo y se basa únicamente en modelos y análisis numéricos.

Yoo et al. [40] midieron el factor U de diferentes ventanas y analizaron sus efectos sobre el ahorro de energía para determinar la calificación de certificación en varias regiones de Corea del Sur. Utilizaron una combinación de pruebas de laboratorio y modelos energéticos para determinar que es necesaria una revisión del sistema de certificación actual en Corea del Sur. Si bien este documento ofrece información sobre el panorama más amplio del consumo de energía de los edificios y los códigos de construcción, no considera los principales impulsores de la degradación de las ventanas u otros componentes de la envolvente. Es necesario realizar más trabajo a escala individual para determinar cuándo es necesaria una modernización para mejorar el rendimiento energético general del edificio.

Existe una extensa literatura sobre el consumo de energía de todo el edificio debido a diversos cambios de envolvente y equipos. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones se centran en modelar grandes cambios sin análisis de campo o se centran en métricas individuales, como la durabilidad de las IGU. Se necesita más trabajo combinando técnicas de medición en el campo con modelos de edificios completos para comprender mejor los parámetros de degradación más importantes. Esta comprensión puede conducir a un análisis de modernización más sólido y a la optimización del rendimiento del edificio existente.

La investigación y la literatura sobre durabilidad de IGU existentes carecen de correlaciones entre la durabilidad en baja emisividad, la falla del sello y el rendimiento térmico. Además, pocas metodologías evalúan y confirman completamente los procedimientos de intemperismo estandarizados para el envejecimiento en el campo. También hay una falta de validación dentro de los estándares actuales de intemperismo, lo que genera escepticismo en cuanto a que la metodología represente con precisión lo que está sucediendo en el campo. Además, esto inhibe la capacidad de evaluar la durabilidad en el laboratorio y desarrollar relaciones entre otros parámetros de rendimiento de la IGU. En cuanto a las técnicas de medición in situ, los métodos existentes para cuantificar el factor U pueden ser precisos; sin embargo, estos métodos no logran desacoplar los componentes de rendimiento de la IGU, como el llenado de gas y el rendimiento del recubrimiento de baja emisividad.

Los resultados de IR son mixtos y hay una notable falta de investigación sobre herramientas de medición de baja emisividad que puedan usarse in situ. Se necesita un nuevo método que pueda diferenciar los cambios de rendimiento debidos tanto a la pérdida de gas como al deterioro del revestimiento de baja emisividad para comprender mejor el vínculo entre la degradación y el rendimiento térmico. Además, se necesita más trabajo para combinar técnicas de medición con análisis energéticos de todo el edificio para comprender mejor los parámetros de degradación más importantes. Esta comprensión puede conducir a una evaluación de modernización más sólida, a optimizar el rendimiento de los edificios existentes y a mejorar las predicciones de modelos energéticos.

Conceptualización: ML-W., ZZ y RCT Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Este estudio está parcialmente financiado por el BEST Center, un centro de investigación cooperativo de investigación industrial establecido bajo las subvenciones NSF de EE. UU. N° 213874 y N° 2113907.

No se crearon ni analizaron nuevos datos en este estudio. El intercambio de datos no se aplica a este artículo.

Este estudio está parcialmente financiado por el BEST Center, un centro de investigación cooperativa de la industria establecido bajo las subvenciones NSF No. 213874 y No. 2113907 de EE. UU. Los autores desean agradecer a Marc LaFrance del Departamento de Energía de EE. UU. por su continuo apoyo a este trabajo. . Este trabajo fue escrito en parte por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, operado por Alliance for Sustainable Energy, LLC, para el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) bajo el Contrato No. DE-AC36-08GO28308. El financiamiento fue proporcionado por la Oficina de Tecnologías de Construcción de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU. Las opiniones expresadas en el artículo no representan necesariamente las opiniones del DOE o del gobierno de los EE. UU. El gobierno de los EE. UU. conserva, y el editor, al aceptar el artículo para su publicación, reconoce que el gobierno de los EE. UU. conserva, una licencia mundial no exclusiva, pagada e irrevocable para publicar o reproducir la forma publicada de este trabajo, o permitir que otros lo hagan. entonces, para propósitos del gobierno de los EE. UU. Esta investigación se realizó bajo una cita para la Oficina de Tecnologías de la Construcción (BTO) IBUILD: Beca de investigación para graduados administrada por el Instituto Oak Ridge para la Ciencia y la Educación (ORISE) y administrada por el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) para el Departamento de Energía de EE. UU. ( GAMA). ORISE es administrado por Oak Ridge Associated Universities (ORAU). Todas las opiniones expresadas en este documento son del autor y no reflejan necesariamente las políticas y puntos de vista de DOE, EERE, BTO, ORISE, ORAU u ORNL. ORISE es administrado por ORAU bajo el número de contrato DOE DESC0014664.

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.