Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Departamento de Ingeniería Mecánica TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS Estudio de la Transferencia de Calor en Ventanas Mexicanas en Condiciones de Clima Frío Mediante una Cámara de Ambiente Controlado presentada por Ingrid Paulina Jiménez García Ing. Mecánico por el I. T. de Tuxtla Gutiérrez 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 Jurado: Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor – Presidente Dr. Efraín Simá Moo – Secretario Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García – Vocal Dr. Dariusz Slawomir Szwedowicz Wasik – Vocal Suplente Cuernavaca, Morelos, México. 22 de Febrero de 2012 ! ! ! ! &'( )* + % ! / , , 0 , $ ! ! # ! ( 2 ( 1 / ( 1 ! &'( )* + ) , " ! ! 3 4 , + ! + ( . , 0 2 ! 4$ " - 5 " # ) 2 6 $ 3 7 8 ! ! " ! 6 - ! ! # ( 2 $ 0 ( ! 9$ : ; $ ! " 4< 2 - ) ! ! # ! ! ! $ ! " ! ; $ , , ! 7 !$ 0 A mi familia por todo el apoyo y confianza que han depositado en mí durante toda mi vida y pase lo que pase siempre estarán a mi lado. A mis asesores, Dra. Gabriela del Socorro Álvarez García y el Dr. José Jassón Flores Prieto por su orientación, dedicación, apoyo para el desarrollo de este trabajo. A los miembros del jurado revisor: Dr. Jesús Perfecto Xamán Villaseñor, Dr. Efraín Simá Moo y al Dr. Dariusz Slawomir Szwedowicz Wasik por sus valiosos comentarios, sugerencias y observaciones durante la realización y revisión de este trabajo. A mis compañeros de laboratorio: Melo, Karla, Daniel por la amistad, el apoyo y comentarios que me brindaron durante la realización del trabajo experimental. También a Alex Ríos que estuvo ayudándome en el laboratorio durante su estancia en el CENIDET. A Mauricio por su amistad. A mis amigos y compañeros de estudio: Ivett, Daniel, Meño, Ulysses, Rafa, Cintli y Javier, por su amistad, por las distracciones y esas desveladas únicas que hicieron más divertido y entretenido la maestría. A Rodolfo, Alex, Héctor, Raquel y Lino por su amistad y por los grandes ratos de distracción. A mis compañeros del CENIDET: Juana, Azucena, Tannia, Leo, Morayta, Bernardo, Rochin, Arturo, Francisco, Enrique, Rigo, Pedro Cruz, Alex Garza, Lucio, Enrique López, Miguel Chagolla, Quirino, Jacob, Pedro Gastelúm, David, Domingo. Y por último pero no menos importante a Blanca y a Liss. A mis amigochas y amigos de numeralia. A los catedráticos: Dr. Enrique Gutiérrez Wing, M. C. Eladio Martínez Rayón, Dra. Yvonne Chávez Chena, Dr. Jesús Arce Landa. Al Laboratorio de Tecnología Solar por las facilidades otorgadas para la realización de esta tesis. 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. Índice Índice Página Lista de Figuras iii Lista de Tablas vi Nomenclatura vii Resumen x Abstract xi Capítulo I: Introducción 1.1 Antecedentes 1.2 Revisión Bibliográfica 1.2.1 Estudios teóricos de transferencia de calor de ventanas 1.2.2 Estudios experimentales de transferencia de calor en ventanas 1.2.3 Estudios experimentales sobre transferencia de calor en ventanas en clima frío 1.3 Objetivo General 1.3.1 Objetivos particulares 1.4 Alcance 10 10 10 Capítulo II: Transferencia de calor en ventanas 2.1 Ventanas 2.1.1 Tipos de vidrio 2.1.2 Marcos de ventana 2.1.3 Sombreado 2.2 Transferencia de calor en ventanas 2.2.1 Conducción 2.2.2 Convección 2.2.2.1 Convección natural 2.2.2.2 Convección forzada 2.2.3 Radiación 2.3 Coeficiente global de transferencia de calor (factor U) 2.4 Ventana representativas de México 2.4.1 Ventana de aluminio 2.4.2 Ventana de fierro 2.4.3 Ventana de madera 12 12 12 13 14 14 15 16 17 17 19 21 22 23 24 2 4 4 6 8 Índice 2.4.4 Ventana de PVC Capítulo III: Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento 3.1 Aparato tipo Hot Box 3.2 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box 3.2.1 Flujo de calor a través de la cámara de medición 3.2.2 Flujo de calor a través del panel de pruebas 3.2.3 Flujo de calor por la interacción ventana-panel de prueba 3.2.4 Flujo de calor por radiación térmica del deflector y la ventana 3.3 Experimento 3.3.1 Modelo experimental 3.3.2 Equipo experimental 3.3.2.1 Sistema de acondicionamiento de temperatura del aire 3.3.2.2 Sistema de control y adquisición de datos 3.3.3 Instrumentación 3.3.3.1 Termopares 3.3.3.2 Deflectores 3.3.3.3 Panel de pruebas y soporte 3.3.4 Procedimiento de la experimentación 3.3.5 Funcionamiento del aparato tipo Hot Box Capítulo IV: Resultados 4.1 Caracterización del aparato tipo Hot Box 4.1.1 Caracterización de la cámara de medición 4.1.2 Caracterización del panel de pruebas 4.2 Caracterización de las ventanas representativas de la República Mexicana 4.2.1 Cálculo del Factor U de la ventana de aluminio 4.2.2 Cálculo del Factor U de la ventana de fierro 4.2.3 Cálculo del Factor U de la ventana de madera 4.2.4 Cálculo del Factor U de la ventana de PVC 4.2.5 Comparación de los resultados del Factor U 4.2.6 Comparación de los resultados experimentales del Factor U de las ventanas evaluadas con valores reportados por Medina en 2009 4.2.7 Comparación de los resultados experimentales del Factor U del presente trabajo con los reportados por Vicente en 2009 25 28 31 32 36 37 38 40 40 41 43 45 48 48 50 50 51 53 55 55 60 62 64 67 70 73 76 77 79 Capítulo V: Conclusiones y Recomendaciones 5.1 Conclusiones 5.2 Recomendaciones 81 82 Bibliografía 83 Anexo 1 86 Índice Lista de Figuras Lista de Figuras Figura Descripción Página 2.1 Componentes básicos de una ventana. 13 2.2 Flujo de calor por conducción a través del vidrio y del marco. 14 2.3 Flujo de calor por convección a través del vidrio y del marco. 16 2.4 Flujo de calor por radiación solar a través del vidrio y del marco. 18 2.5 Ventana de Aluminio. 22 2.6 Ventana de Fierro. 23 2.7 Ventana de Madera. 24 2.8 Ventana de PVC. 25 3.1 Aparato tipo Hot Box. 28 3.2 Aparato tipo Hot Box con cámara de guarda. 29 3.3 Aparato tipo Hot Box sin cámara de guarda. 29 3.4 Flujo de calor en el aparato tipo Hot Box. 31 3.5 Flujo de calor a través de la cámara de medición. 34 3.6 Flujo de calor del aparato a través de la cámara de medición, utilizando una muestra de referencia. 35 3.7 Flujo de calor en el panel de pruebas. 36 3.8 Zona de interacción ventana-panel. 37 3.9 Intercambio radiativo térmico entre el deflector y la ventana. 39 3.10 Modelo experimental. 41 3.11 Equipo experimental. 42 Lista de Figuras 3.12 Acondicionadores de la temperatura del aire del aparato tipo Hot Box: a) focos en la cámara de medición; b) intercambiador de calor de la cámara ambiente. 44 3.13 Enfriador re circulatorio utilizado para el acondicionamiento del aire dentro de la cámara ambiente. 45 3.14 Sistema de control manual de la temperatura de la cámara de medición: a) cuchillas de protección; b) circuito de control para focos. 45 3.15 Fuente de alimentación de CD regulable para los ventiladores de la cámara de medición. 46 3.16 Sistema de control eléctrico para el enfriador re circulatorio: a) sensores de protección; b) circuito de control eléctrico. 47 3.17 Sistema de adquisición de datos para el aparato tipo Hot Box: a) aparato adquisidor USB 6218; b) Visualizador y registro de temperaturas. 48 3.18 Distribución de termopares: a) distribución de los termopares; b) termopares conectados a la caja de zona. 49 3.19 Colocación de la termopila en la muestra de referencia. 49 3.20 Panel de pruebas. 51 3.21 Procedimiento general de la experimentación de las ventanas. 52 4.1 Comportamiento de la temperatura del aire al interior de la cámara de medición durante varios días. 55 4.2 Comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de medición durante un día. 56 4.3 Caracterización de las paredes de la cámara de medición. 57 4.4 Comportamiento de la temperatura del aire para la caracterización de la cámara de medición. 58 4.5 Caracterización del panel de pruebas. 60 4.6 Comportamiento de la temperatura para la caracterización del panel de pruebas. 61 Lista de Figuras 4.7 Evaluación de ventana. 63 4.8 Prueba1: Caracterización de la ventana de aluminio. 64 4.9 Prueba 2: Caracterización de la ventana de aluminio. 65 4.10 Prueba 1: Caracterización de la ventana de fierro. 67 4.11 Prueba 2: Caracterización de la ventana de fierro. 68 4.12 Prueba 1: Caracterización de la ventana de madera. 70 4.13 Prueba 2: Caracterización de la ventana de madera. 71 4.14 Prueba 1: Caracterización de la ventana de PVC. 73 4.15 Prueba 2: Caracterización de la ventana de PVC. 74 4.16 Comparación de los Factores U de la primera y segunda prueba. 76 4.17 Comparación de los resultados teóricos reportados con los obtenidos en el presente trabajo. 78 4.18 Comparación de los resultados reportados por Vicente 2009 con los obtenidos en el presente trabajo. 79 Lista de Tablas Lista de Tablas Tabla Descripción Página 2.1 Propiedades termo físicas de los materiales. 26 4.1 Parámetros de la caracterización de las paredes de la cámara de medición. 59 4.2 Parámetros de la caracterización del panel de pruebas. 62 4.3 Prueba 1: Parámetros de la caracterización de la ventana de aluminio. 65 4.4 Prueba 2: Parámetros de la caracterización de la ventana de aluminio. 66 4.5 Prueba 1: Parámetros de la caracterización de la ventana de fierro. 68 4.6 Prueba 2: Parámetros de la caracterización de la ventana de fierro. 69 4.7 Prueba 1: Parámetros de la caracterización de la ventana de madera. 71 4.8 Prueba 2: Parámetros de la caracterización de la ventana de madera. 72 4.9 Prueba 1: Parámetros de la caracterización de la ventana de PVC. 74 4.10 Prueba 2: Parámetros de la caracterización de la ventana de PVC. 75 4.11 Resultados del Factor U de las pruebas realizadas a las ventanas. 77 Nomenclatura Nomenclatura Símbolo Latinas A Cp Descripción Área Calor específico a presión constante Unidad m2 J/(kg K) e Longitud de borde de la cámara de medición m g Aceleración debida a la gravedad m/s2 G Irradiación solar W/m2 h Coeficiente de transferencia de calor H Altura de la ventana k Conductividad térmica l Longitud m L Espesor m Nu Número de Nusselt W/m2 K m W/m K adimensional W/m2 q Razón de flujo de calor Q Flujo de calor R Resistencia térmica m2 K/W Ra Número de Rayleigh adimensional t Tiempo T Temperatura U Coeficiente global de transferencia de calor o Factor U Vs Velocidad del viento W hr:min:s °C W/m2 °C m/s Nomenclatura Griegas Absortancia adimensional Diferencia o gradiente Emisividad Ángulo Densidad Constante de Stefan-Boltzmann Transmitancia Viscosidad dinámica 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 adimensional ° Kg/m3 W/m2 K4 adimensional Pa s Nomenclatura 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 Resumen En la mayoría de las aplicaciones de edificios en la vida real, el conocer los parámetros de transferencia de calor en los componentes principales permite realizar mejoras en los diseños de manera que se incremente el aislamiento que pueden conducir a ahorros de energía importantes. En este trabajo se estudia la transferencia de calor en ventanas representativas de México, mediante pruebas experimentales utilizando una cámara de ambiente controlado, tipo Hot Box, que evalúa el coeficiente global de transferencia de calor (Factor U). Para llevar a cabo la experimentación, primero se seleccionaron las ventanas de acuerdo al tipo de material del marco que se utiliza o se han venido utilizado en México: aluminio, fierro, PVC y madera; las ventanas que se utilizaron son fijas con vidrio claro de 6 mm. Se establecieron condiciones de prueba para clima frío para realizar la evaluación de las ventanas. Las ventanas seleccionadas se evaluaron de acuerdo al procedimiento indicado en la norma ASTM C1199. La caracterización de la cámara de medición se realizó conforme se establece en la norma ASTM C1363. El aparato tipo Hot Box, localizado en el Laboratorio de Tecnología Solar, se utilizó mediante la configuración calibrada o sin cámara de guarda. Las condiciones de prueba que se establecieron para determinar el Factor U de las ventanas fueron de la región de clima frío de la República Mexicana con una temperatura de 25°C para el interior de una habitación y de 11°C a 14°C 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 2.2 W/m2°C y la ventana de aluminio presentó el valor más alto 5.9 W/m2°C. Esto implica que la ventana con marco de aluminio tiene una mayor conductancia que las ventanas de madera y de PVC. Así la ventana con marco de PVC es mejor aislante para edificaciones en climas fríos. Abstract Abstract In the most building applications in real life, knowing the heat transfer parameters in the main components allows design improvements so as to increase the isolation that can lead to significant energy savings. The present work shows a heat transfer analysis of typical Mexican building’s windows, through experimental tests using a controlled environment chamber, Hot Box type, to determine the overall heat transfer coefficient (U-factor). 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 Mexico: aluminum, steel, wood and PVC. The windows were fixed with clear glasses of 6 mm. Test conditions were established form cold climates for the evaluation of windows. The selected windows were evaluated according the standard procedure indicated in the ASTM C1199 test method. The characterization of the measured chamber was done using the standard test method ASTM C1363. The Hot Box apparatus, located in the Laboratory of Solar Technology, was using the calibrated configuration or without guard chamber. To determine the U-factor of the windows, the test conditions were for cold climate of Mexico with a temperature of 25°C inside the room and 11°C to 14°C outside de 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/m2°C and the aluminum frame window had the highest U-factor of 5.9 W/m2°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 cold climate. Introducción Capítulo I Capítulo I 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 estudios en climas fríos. Finalmente se detalla la justificación, el objetivo y el alcance de esta tesis. Introducción Capítulo I 1.1 Antecedentes El cambio de clima global ha sido preocupante en las últimas décadas, debido a la industrialización y a la masiva utilización del carbón y del petróleo; que ha llevado al aumento de la concentración de gases invernaderos, lo cual ha provocado un aumento en la temperatura de la Tierra. Según el último reporte con proyecciones de modelos climáticos presentados por IPCC (Inter-Govermmental Panel on Climate Change), indican que es probable que la temperatura global de la superficie aumente entre 1.1 a 6.4 °C durante el siglo XXI. IPCC, (2007). A partir del aumento de la temperatura de la Tierra surgen una serie de diferentes efectos como el aumento del nivel del mar, cambios en los ecosistemas agrícolas, la expansión de las enfermedades tropicales, aumento de la intensidad de los fenómenos naturales. Ante esta situación se busca diseñar estrategias para combatir el problema, mediante políticas de fomento al uso de tecnologías limpias para la generación de energía, estas son las que mitigan la contaminación y que utilizan los recursos naturales renovables en forma racional. En México el consumo energético total en el 2010 fue de 4, 677,794 pJ divididos entre residencial, comercial, público, transporte e industrial. El sector residencial es, después del transporte y la industria, uno de lo que más energía consume; ya que en el 2010 fue de 83.7% del total. El consumo residencial creció 0.2% entre el 2009 y 2010 (SENER, 2010). Para reducir el crecimiento en el consumo de energía y mitigar los gases de invernadero, es necesario implementar medidas de ahorro de energía, las cuales consisten en la optimización del consumo energético, cuyo objeto es disminuir el uso de energía pero produciendo los mismos resultados finales. La eficiencia energética es más alta cuanta menos energía se pierde durante su extracción, transformación, distribución y uso. Una vivienda eficiente es aquella que aprovecha al máximo los recursos climáticos y energéticos del lugar para alcanzar el confort en forma natural. Las viviendas eficientes son más frescas en verano y cálidas en invierno. Lo logran consumiendo menos energía que las viviendas convencionales y reduciendo la dependencia de medios artificiales de refrigeración y calefacción. Toda vivienda eficiente debe tener las siguientes características: diseño, Introducción Capítulo I materiales, terminaciones y técnicas constructivas adecuadas al clima del lugar. Uno de los principales componentes en las viviendas y edificaciones son las ventanas, que tienen la finalidad de proporcionar luz y ventilación, permiten a través de ella la comunicación del interior al exterior. También representan una fuente no deseada de ganancia de calor en verano y de pérdidas de calor en invierno, lo cual se ve reflejado en el consumo de energía para el acondicionamiento de las habitaciones. Esto se debe a que el desempeño térmico de una ventana depende de las condiciones climáticas ambientales en las que se encuentra. Para contribuir en el ahorro de energía en las edificaciones el principal objetivo de las ventanas es impedir el paso del calor al interior, en clima cálido y en clima frío mantener el calor dentro de la edificación. 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). El marco de la ventana es una parte importante del producto total del coeficiente global de transferencia de calor (U) de la ventana. Si se tiene una ventana con un área total de 1.2m x 1.2m y un marco con un ancho de 10 cm, el área ocupada por el marco es 30% del total, esto es, una parte sustancial de las pérdidas de calor será atribuida al marco, especialmente si el marco tiene un factor U mayor que la U del vidrio. Gustavsen (2001). 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 manera que se incremente el aislamiento, lo cual puede conducir a ahorros de energía importantes en climatización. Actualmente, se cuentan con estudios de tecnologías en ventanas, el cual su principal objetivo es el ahorro de energía, por ejemplo: ventanas dinámicas, ventanas con doble acristalamiento al vacío o con algún gas, ventanas con sombreado, etc. Los parámetros característicos para determinar el desempeño térmico de una ventana son el coeficiente global de transferencia de calor (factor U) y el coeficiente de ganancia de calor solar (factor CGCS o SHGC). Estos factores incluyen los procesos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación dados por una serie de condiciones ambientales. Cuando incide radiación solar se considera el CGCS y cuando no incide radiación solar se considera U. Entre más pequeño sea el valor de U, menor será el índice de flujo de calor a través de una ventana. Introducción Capítulo I 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. Mediante este trabajo se pretende dar un mejor conocimiento del desempeño térmico que tienen las ventanas utilizadas en México bajo las condiciones de clima frío; ya que su efecto térmico varía en cuanto a las condiciones ambientales. Con esta información se puede elegir adecuadamente el tipo de ventana 1.2 Revisión Bibliográfica A continuación, se presentan una serie de diferentes estudios, realizados con anterioridad sobre la transferencia de calor en ventanas, los cuales se dividieron en estudios teóricos de transferencia de calor en ventanas, estudios experimentales de transferencia de calor en ventanas y estudios experimentales de transferencia de calor en ventanas en clima frío. 1.2.1 Estudios teóricos de transferencia de calor en ventanas. Se han realizado varios estudios sobre la transferencia de calor en ventanas mediante programas de simulación. Uno de los primeros trabajos realizados sobre envolventes térmicos de edificios fue el que realizaron Arasteh et al. en 1994, donde propone el diseño de una ventana integral que sea de una transmitancia térmica y un coeficiente de ganancia solar muy bajo. Entre los más recientes, se encuentra el realizado por Gustavsen et al., en 2005 donde estudiaron los efectos de conducción y convección en las cavidades internas de los marcos de las ventanas. La simulación se llevó a cabo por el programa Fluent 1998; manejaron una diferencia de temperatura entre la pared fría y caliente de 10°C y 25°C, respectivamente. Los Introducción Capítulo I resultados de los flujos de calor obtenidos de las simulaciones en CFD y de conducción muestran una buena coincidencia con los presentados en ISO 15099. Los autores llegaron a la conclusión de que para cavidades de marco de forma irregular se debe dividir en los puntos donde sus dimensiones son del orden de 5 a 10 mm. En 2006 Arasteh et al., definieron los requerimientos para las ventanas de energía cero. Desarrollaron una metodología híbrida “top-down/bottom-up” para estimar el ahorro de energía. Identificaron tres tecnologías para reducir las pérdidas por conducción y ganancia de calor no deseado: sistemas altamente aislados con un factor U de 0.1 Btu/hr-ft2-°F; ventanas dinámicas, acristalamientos que modulan la transmisión en respuesta a las condiciones climáticas En México Medina en 2009 estudió la transmisión de calor en marcos de ventanas mexicanas, de diferentes materiales: aluminio, fierro, madera y PVC. La simulación fue realizada a través del programa THERM que se basa en la norma ISO 15099. El análisis se hizo de acuerdo a los seis diferentes grupos climáticos que hay en la República Mexicana: cálido húmedo y subhúmedo, seco, muy seco, templado subhúmedo y húmedo. Se determinó que el factor U total de las ventanas con marcos de PVC, cuyos valores se encuentran por debajo de 2.5 W/ m2 K, es el más bajo entre los obtenidos para las diferentes ventanas analizadas para los diferentes climas en cuestión, mientras que la ventana con marco de fierro es la que presenta los valores del factor U total más elevados, con valores de hasta 5.0 W/ m2 K. Durante el 2010 Appelfeld et al., desarrollaron una ventana que consiste de un marco delgado de fibra de vidrio reforzado con poliéster y un vidrio triple relleno de argón; utilizaron los programas THERM, iDbuild y Be06 para determinar el desempeño térmico de la ventana con una diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de 20°C. Determinaron que el ancho óptimo del marco es de 29 mm, con un porcentaje del marco en relación a la ventana de 8.4%; un factor U del marco 1.9W/m2 K, U de la ventana 0.8 W/m2 K, NEG 19.3 kWh/m2. También Chow et al., estudiaron una ventana con flujo de agua, en tres diferentes configuraciones de vidrio: claro-agua-claro, claro-agua-reflectivo y polarizado-agua-claro, a Introducción Capítulo I una temperatura ambiente de 33°C. Utilizaron el programa WINDOW que se basa en la norma ISO 15099, en la cual determinaron que la configuración que mostró el mejor resultado fue polarizado-agua-claro; la cantidad de calor que absorbe el agua es de 271 W/m2, la eficiencia del colector de agua 45.4% y calor suministrado en la habitación de 196 W/m2. Todo esto con un sistema de flujo forzado. En ese mismo año Anci y Karabay estudiaron teóricamente el funcionamiento térmico de una ventana con doble vidrio y con diferentes tipos de fuentes de calentamiento para determinar el espesor óptimo de la capa de aire. Por el método grados-día con temperaturas base de Turquía de 18 y 22°C. Determinaron que el espesor óptimo varía entre 12 y 15 mm dependiendo de la temperatura base y del tipo de combustible para las zonas climáticas de Turquía. 1.2.2 Estudios experimentales sobre transferencia de calor en ventanas. A continuación, se describen los más recientes trabajos realizados experimentalmente sobre el comportamiento térmico de envolventes de edificios: En México, en el año 2000, Álvarez et al., evaluaron el desempeño térmico y los coeficientes de sombreado de cuatro vidrios: 3 mm y 6 mm claro, 6 mm filtrasol y 6 mm reflectasol. Construyeron un calorímetro basándose en la norma ASTM C 976-82 y utilizaron un simulador solar con base en la norma ASTM C 236-80. La experimentación se llevó a cabo con una diferencia de temperatura entre el interior y el ambiente, la cual fue de 31.4-18.8°C. Encontraron que el vidrio reflectasol de 6 mm tiene el mejor desempeño térmico, 0.33, y un coeficiente de sombreado de 0.36 para un clima cálido. Después en 2004 Kohler et al., diseñaron y construyeron un prototipo de ventana de aluminio revestida de madera, entre el doble vidrio al exterior y un vidrio simple al interior tiene integrado una cortina que se despliegan automáticamente en respuesta a la luz solar y la temperatura. El doble vidrio se llenó de argón, determinaron el factor U en los peores días del mes de Minneapolis (-15 - 28°C), Phoenix (5 - 40°C) y Baltimore (-1 - 27°C), el cual fue de Introducción Capítulo I 1.31 W/m2°C, con la cortina desplegada; 1.42 W/m2°C, sin la cortina. Un SHGC de 0.15 y 0.46, respectivamente. Durante el 2006 Banda estudió una pared vertical que simula la superficie calentada de un vidrio de ventana para determinar los coeficientes locales de transferencia de calor en la capa límite. Esto lo llevó a cabo mediante dos experimentos uno bajo condiciones normales de habitación y el otro con un dispositivo de ambiente controlado; este último se diseñó y construyó bajo las especificaciones de las normas ASTM C1363 y C1199. Las temperaturas que manejó en la superficie fueron de 35 y 40°C y una temperatura ambiente de 20 a 28°C. Se obtuvieron valores de coeficientes locales de transferencia de calor h(xz) en el intervalo de 3.5 a 7.8 W/m2K con incertidumbres de ±5% en promedio y números de Nusselt de 25 a 50 con incertidumbres de ±5% en promedio. Encontró que utilizando un termopar de mayor masa térmica se tiene una variación hasta del 22% en el valor de h(xz). Al utilizar una cámara de ambiente controlado se redujo la incertidumbre en los resultados hasta un 50%. Ese mismo año Fang et al., evaluaron dos muestras de vidrios al vacío cada una con las siguientes dimensiones 400x400 mm y 500x500 mm. Utilizaron la metodología descrita en la norma ISO 8990 para Hot Box con cámara de guarda, la cual adecuaron a las temperaturas de 20°C y 44.7°C para la cámara fría y caliente. Determinaron que la muestra 1 tiene un Ucenter 0.97 ± 0.08 W/m2 K y Uw 1.21 ± 0.10 W/m2 K; para la muestra 2 Ucenter 1.06 ± 0.09 W/m2 K y Uw 1.28 ± 0.11 W/m2 K. Con esto validaron un modelo numérico ya que los valores concordaron dentro del error experimental. Un año después, en 2007, Fissore y Fonseca analizaron, durante un año en Concepción Chile, una pared que tiene una ventana, la cual expusieron a las condiciones climáticas exteriores y le pusieron diferentes protecciones: persianas venecianas, cortinas, placa de aluminio y placa de aislamiento. La temperatura al exterior a la que estuvo sometida la pared fue entre 3.11°C y 20°C. Los resultados experimentales indican que las pérdidas de flujo de calor a través de la pared externa son 7-11 W/m2. En otoño la mayor pérdida se da en la ventana sin protección; en la primera parte del invierno la ventana con cortinas es la que tiene mayor pérdida y la segunda parte son las de persianas venecianas y sin protección. Introducción Capítulo I A continuación Vicente, en 2009, evaluó el desempeño térmico de ventanas mexicanas, de diferentes materiales de marco: aluminio, fierro, madera y PVC; cada una con un vidrio claro de 6 mm. El autor utilizó un aparato tipo Hot Box basándose en la norma ASTM C1199 para determinar el factor U de cada una de las ventanas, el estudio se realizó en condiciones de clima cálido (35°C) y determinó que la ventana con marco de PVC proporciona el mejor aislamiento con un factor U de 2.2 W/m2 °C ± 0.2 W/m2 °C. 1.2.3 Estudios experimentales sobre transferencia de calor en ventanas en clima frío. En este apartado se describen algunos estudios realizados sobre el comportamiento térmico de ventanas mediante aparatos experimentales, principalmente el aparato tipo Hot Box, bajo condiciones de clima frío. En 1999 Klems realizó el estudio de la transferencia de calor en varios domos: un domo plano con doble acristalamiento claro, relleno de aire; un domo plano con doble acristalamiento relleno de argón, con recubrimiento de baja emisividad al interior y un domo doble cúpula tipo burbuja. La medición la llevo a cabo durante diciembre de 1997 y febrero de 1998; en Reno, NV; con una temperatura al exterior entre -2.04 y 0.34°C, a través del laboratorio móvil de pruebas de ventanas (MoWiTT). Se determinó que el domo plano con doble acristalamiento claro y relleno de aire tuvo un valor de U de 4.6 W/m2K ±0.26; el domo plano con doble acristalamiento con recubrimiento de baja emisividad relleno de argón tuvo un valor de U de 3.77 W/m2K ±0.16 y el domo doble cúpula tipo burbuja tuvo 4.79 W/m2K ±0.23. Después en 2001 Fang estudió un vidrio simple y un vidrio doble, ambos con una cortina de tela; la medición la realizó mediante un Hot Box basado en la norma ASTM C236 con un intervalo de temperatura de 12.2-49.6°C para el vidrio doble y 7.2-52.6°C para el vidrio simple. Determinó que los valores de U son: para el vidrio simple 3.66 y 4.44, para el vidrio doble 2.16 y 2.58 W/m2°C; con el borde de la cortina sellado y sin sellar, respetivamente. Luego Fang et al., en el 2007, evaluaron tres vidrios dobles al vacío con películas de diferentes emisividades: 0.04, 0.12 y 0.16, mediante un aparato tipo Hot Box con cámara de Introducción Capítulo I guarda; las temperaturas de evaluación fueron Tint=21.6°C y Text=-17.8°C. Determinaron el factor U de cada uno de los vidrios: para el vidrio doble con película emisiva de 0.16 un factor UA de 1.3 W/m2K ±0.11, para el vidrio doble con película emisiva de 0.12 un factor UB de 1.21 W/m2K ±0.10 y para el vidrio doble con película emisiva de 0.04 un factor UC de 1.15 W/m2K ±0.09. Recientemente en 2011 Asdrubali y Baldinelli determinaron el factor U de una ventana con marco de aluminio mediante un aparato tipo Hot Box sin cámara de guarda, utilizaron tres metodologías para compararlas entre sí; las metodologías se describen en las normas ISO 8990, ASTM C 1363-05 y GOST 26602.1-99. Las temperaturas de evaluación fueron al interior de la habitación de 20°C y al exterior de 0°C. Los resultados que obtuvieron fueron: Para el método de ISO 12567-1 se obtuvo un factor U de 2.19 ±0.15 W/m2K, para la ASTM C1199-09 un factor U de 2.15 ±0.16 W/m2K y para la GOST 26602.1-99 un factor U de 2.12 ± 0.06 W/m2K. Determinaron que la metodología de GOST 26602.1-99 es la que presenta menor incertidumbre y define el comportamiento térmico de cada parte de la componente en análisis. De la revisión bibliográfica se puede observar que el estudio de la transferencia de calor en ventanas ha sido un tema ampliamente analizado y recientemente, se ha enfocado al desarrollo de nuevas tecnologías de ventanas. Esto da un panorama del desempeño térmico que presentan las ventanas. Para determinar los parámetros característicos de las ventanas, la mayoría de los autores realizaron el análisis de la transferencia de calor en ventanas utilizando aparatos tipo Hot Box. Escasos estudios consideran el desempeño térmico del marco de una ventana, el cual es un gran influyente en el factor U total de una ventana. En México sólo se han realizado dos estudios sobre el desempeño térmico en marcos de ventanas: Medina en 2009 en su estudio teórico consideró condiciones de clima cálido húmedo y sub húmedo, seco, muy seco, templado sub húmedo y húmedo; Vicente en 2009 realizó el estudio experimental en un aparato tipo Hot Box pero solamente para clima cálido; Introducción Capítulo I ambos trabajos con diferentes marcos. Este trabajo pretende completar la información con que se cuenta para conocer la transferencia de calor de las ventanas con diferentes marcos pero para las condiciones de clima frío (11°C - 14°C). 1.3 Objetivo General Estudiar la transferencia de calor de ventanas con diferentes marcos mediante sus coeficientes globales de transferencia de calor, utilizando una cámara de ambiente controlado (Hot Box), en condiciones de clima frío (11°C - 14°C). 1.3.1 Objetivos Particulares 1. Estudiar las ventanas con cuatro tipos de marcos. 2. Familiarizarse con el funcionamiento del Hot Box y adecuar la cámara para clima frío. 3. Determinar los parámetros que caracterizan las ventanas con diferentes marcos, coeficientes de pérdidas, flujos de calor, etc. 1.4 Alcance Se estudiará el desempeño térmico de las ventanas con cuatro tipos de marcos de los más utilizados en México; aluminio, madera, fierro y PVC. Se determinará el factor U de cada una de las ventanas. Se presentará un comparativo de los resultados obtenidos experimentalmente con los reportados por el programa THERM. Medina (2009) y con los resultados obtenidos por Vicente (2009). Se adecuará la cámara de ambiente controlado (Hot Box) para condiciones de clima frío, donde se manejará un intervalo de temperatura de 11.0°C a 14.0°C; y se evaluaran los coeficientes de pérdidas. Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II Capítulo II Transferencia de calor en ventanas Este apartado menciona los componentes básicos de una ventana y se enfoca en la transferencia de calor en las ventanas como componente de la envolvente térmica de edificios. Se muestra el análisis del flujo de calor y del Factor U de las ventanas. Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II 2.1 Ventanas Las ventanas son los elementos más complejos en el diseño residencial porque proveen luz y aire fresco, y ofrecen vistas que conectan los espacios interiores con el exterior. A pesar de esto, las ventanas también representan una fuente no deseada de incremento de calor en verano y de pérdidas de calor en invierno, lo cual se ve reflejado en el consumo de energía para el acondicionamiento de las habitaciones. Una ventana está compuesta básicamente por los siguientes elementos: vidrio, marco y en algunos casos dispositivos de sombreado y mosquiteros. 2.1.1 Tipos de vidrios Los vidrios utilizados en las ventanas pueden ser claros, tintados, laminados, con recubrimiento y de diferentes espesores; 3 mm, 4 mm, 6mm. Los vidrios claros transmiten más del 75% de la radiación solar incidente y más del 85% de luz visible. Los vidrios tintados están disponibles en varios colores, los cuales difieren en la cantidad de radiación solar y luz visible que transmiten y absorben. Vidrios con recubrimiento reducen la transmisión de la radiación solar. El vidrio laminado está compuesto por dos cristales de vidrio adheridos entre sí; la capa intermedia entre los dos cristales es típicamente de plástico y puede ser claro, tintado o con recubrimiento. Los vidrios de aislamiento son unidades que están herméticamente sellados, están compuestos de dos o más capas de vidrio, donde el espacio que esta herméticamente sellado por lo general se llena de aire. En algunos casos, los gases argón y kriptón se utilizan en lugar del aire, para reducir aún más la transferencia de energía. 2.1.2 Marcos de ventanas Los tres principales materiales de los marcos de ventanas son madera, metal y polímeros. La madera tiene una buena estructura integral y un buen valor de aislamiento, pero baja resistencia al agua, humedad y degradación orgánica (moho e insectos). El metal es durable y tiene características estructurales excelentes, pero tiene un desempeño térmico muy pobre. Actualmente la opción más común en los marcos de metal es el aluminio, debido a su facilidad Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II de fabricación, bajo costo y de baja masa, pero el aluminio tiene una conductividad térmica de aproximadamente 1000 veces mayor que la de la madera madera o de los polímeros. El rendimiento térmico de las ventanas de marco de metal se puede mejorar con una rotura de puente térmico (un componente no metálico que que separa el marco de metal expuesto al exterior de la superficie expuesta al interior). Los marcos de polímeros son hechos de polímero de vinil v extruido o de poliéster reforzado con vidrio; su desempeño estructural estructural y térmico es similar al de la madera. Lass ventanas residenciales pueden ser categorizadas ppor or tipo de operador; el sistema de vidriado se puede montar directamente en el marco (el cual no es operable) o en una hoja que se mueve en el marco (para una ventana operable). En México en la época colonial col era muy común ver ventanas hechass con marcos de fierro y madera en las construcciones, con el paso del tiempo poco a poco se han sustituido por ventan ventanas as de otro tipo de material. 2.1.3 Sombreado El sombreado puede estar localizado tanto al interior interi como al exterior, y en algunos casos, al interior del sistema vidriado (entre los vidrios). Los materiales usados ados incluyen metal, madera, plástico tico y tela. Los dispositivos de sombreado están están disponibles en una amplia gama de productos que difieren mayormente en su apariencia y desempeño energético. Estos incluyen persianas al interior y exterior, persianas integra integrales, pantallas al interior y exterior, cortinas. Los dispositivos de sombreado colocados en la parte exterior del el vidrio reducen reduce la ganancia de calor solar más eficientemente que los dispositivos al interior. Sin embargo, los dispositivos al interior son más fáciles de operar y de ajustar. En la Figura 2.1 se muestran los componentes básicos de una ventana. Figura 2.1. Componentes básicos de una ventana. Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II 2.2 Transferencia de calor en ventanas Analizando la energía en forma de calor ganado o pe perdido, factor U,, por una ventana, esta se debe a la combinación de los procesos de conducción, conducción, convección y radiación. 2.2.1 Conducción El flujo de calor por conducción ocurre entre los componentes componentes principales: vidrio y marco. El vidrio al absorber energía aumenta su temperatura, este genera flujos de calor en dirección normal de la superficie interior o exterior de la habitación y hacia el mar marco. De la misma forma ocurre cuando el marco aumenta su temperatura, temperatura, se originan flujos de calor hacia el interior o exterior y también con dirección al borde borde del vidrio (región de interacción entre el marco co y el vidrio). En la figura 2.2 2. se muestran las zonas donde existe flujo de calor por conducción en una ventana. Figura 2.2.. Flujo de calor por conducción a través del vidrio y del marco. De acuerdo a la ley de Fourier, pa para ra una placa plana unidimensional, la ecuación general gene de conducción se expresa como como: (Fundamentos de transferencia de calor, 1999) (2.1) Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área qcondx (W/m2) es el calor en dirección x por área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia, donde k (W/m K) es la conductividad térmica del material, dT/dx es el gradiente de temperatura en la dirección x. 2.2.2 Convección En el caso de transferencia de calor por convección, esta sucede entre el aire del ambiente y la ventana. Las temperaturas del interior y exterior de una habitación se establecen como condiciones de prueba para evaluar una ventana, sin embargo, los coeficientes de transferencia de calor convectivos no son tan sencillos de especificar debido a que se debe considerar la geometría de la superficie, la naturaleza del fluido (convección natural o forzada) y la variación de las propiedades termodinámicas del fluido. La convección forzada es causada por medios externos y la convección natural es causada únicamente por la diferencia de temperaturas en el fluido. La transferencia de calor por convección se determina mediante la ecuación que refleja la ley de enfriamiento de Newton: (Fundamentos de transferencia de calor, 1999) (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 moviemiento). 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 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 2.3 se muestra el flujo de calor por convección en una ventana. Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II Figura 2.3.. Flujo de calor por convección a través del vidrio y del marco. La norma ISO 15099 determina que la transferencia de calor por convección convecc en el lado interno de una habitación ocurre primero primer por convección natural, para el lado exterior se da por medio de la convección forzada. .2.1 Convección natural 2.2.2.1 Para el cálculo simplificado del flujo de calor convectivo y efectos de condiciones de frontera estándar, se considera que la transferencia de calo calorr de la ventana hacia el aire interior se efectúa por convección natural. Definiendo a la razón razón de flujo de calor en el interior mediante la ecuación: (ISO 15099) (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). El coeficiente local de transferencia de calor se eestablece como: (2.4) Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II donde k 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 ( =90°) el Nu se determina mediante: (ISO 15099) ! "# $%& ' ()* +, - . "# $%& ' / , (( (2.5) donde Ra se calcula a partir de: "# 01 2 3 456789 : ;8<: 7 8= >? (2.6) Las propiedades del aire son evaluadas considerando la temperatura de media de película: A @ ( * B (2.7) Se observa que Tb,n es la temperatura de superficie de la parte interior 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. 2.2.2.2 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: C D A DE (2.8) 2.2.3 Radiación La transferencia de calor mediante radiación térmica no requiere materia. Considere un sólido que inicialmente está a una temperatura más alta que la de los alrededores, en el entorno existe vacío; el cual evita la pérdida de energía desde la superficie del sólido por convección o conducción, la intuición nos dice que el sólido se enfriará y finalmente alcanzará el equilibrio termodinámico con sus alrededores. Este enfriamiento está asociado con una reducción en la Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II energía interna almacenada por el sólido y es una consecuencia directa de la emisión de radiación térmica desde sde la superficie. A su vez, la superficie interceptará intercep y absorberá la radiación originada desde los alrededores. Se asocia la radiación ión térmica a la intensidad con que la materia emite energía. Toda materia que rodea a un sólido emite radiación, por ejemplo: ejemplo: los muebles y paredes de una habitación, si esta dentro de la casa, o por la tierra, edificios, edificios, la atmósfera y el sol si esta en el exterior. Todas las formas de materia emiten radiación. La radiación solar que ingresa a través de la ventana venta representa una ganancia de calor hacia el interior de una habitación. C Cuando uando la radiación solar incide sobre una ventana, en el vidrio, una parte de esta energía se transmite ( G), otra se absorbe ( G) y el resto se refleja ( G). En el marco, parte de la energía se refleja re y parte se absorbe calentando el marco y radiando la energía absorbida al interior inte y al exterior. En la Figura 2.4 se observa el flujo de calor por radiación. Figura 2.4 4. Flujo de calor por radiación solar en arreglo vidrio-marco. marco. Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II 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 por la siguiente ecuación: (Fundamentos de transferencia de calor, 1999) FG HI * * (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, Boltzmann ( =5.67 x 10-8 W/m2K4) y emisividad. La emisividad es la constante de Stefan- es una propiedad térmica de la superficie llamada tiene valores en un intervalo de 0 1, esta propiedad indica la relación de una superficie que emite energía con respecto a un cuerpo negro a la misma temperatura. El valor de depende del material de la superficie y del acabado; para un vidrio claro el valor de la emisividad es aproximadamente 0.86. El método de prueba experimental de la norma ASTM C1199 Y C1363 para la evaluación del factor U de ventanas utilizando un aparato tipo Hot Box se realiza sin considerar los efectos de la radiación solar directa; pero si del intercambio radiativo entre superficies. 2.3 Coeficiente global de transferencia de calor (factor U) Los distintos coeficientes de transferencia de calor pueden ser combinados en un coeficiente global de transferencia de calor por lo que la tasa de transferencia de calor total puede calcularse a partir de la diferencia de temperaturas. Para facilitar la comparación y clasificación de los componentes de edificios (muros, ventanas, puertas, domos, etc.) se utiliza el factor U. El factor U describe la razón de flujo de calor a través de una ventana. Además, es el modo estándar de cuantificar el valor del aislamiento. Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II Este parámetro se define mediante la siguiente expresión: (ISO 15099) J K (2.11) L 8MN ;8<: 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. El Factor U se relaciona con la resistencia térmica total de un elemento, de la siguiente manera: J ( (2.12) OP L donde la resistencia térmica total RT está dado por: "8 ( QMN A RS ?S ( A (2.13) Q<: donde T es el espesor de la ventana y U es la conductividad térmica efectiva de la ventana. Los coeficientes y C se determinan por la suma del coeficiente convectivo y radiativo térmico al exterior e interior de la ventana: A (2.14) FG donde hrad es el coeficiente de transferencia de calor por radiación que se desprende cuando se factoriza la Ecuación (2.9) de la siguiente manera: FG HI V A V FG HI V A V A (2.9b) HI V A V A (2.15) V V (2.9a) Por lo tanto: FG Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II 2.4 Ventanas representativas de 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 luego 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 y vidrios, 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 de los siguientes tipos de marcos de ventana: • Marcos de aluminio • Marcos de fierro • Marcos de madera • Marcos de PVC Considerando la clasificación anterior de las ventanas por el tipo de material del marco, se evaluó 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 de las características anteriores y al precio más accesible de los fabricantes consultados. Este trabajo pretende dar continuidad con los estudios sobre la transferencia de calor en ventanas hechas en México en condiciones de clima frío. A continuación se describen brevemente las ventanas que se utilizaron para la experimentación. Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II 2.4.1 Ventana de aluminio La ventana de aluminio es una de las más utilizadas utilizadas en las viviendas de la República Mexicana por su bajo costo y porque no requieren de un mantenimiento mantenimiento constante. Los marcos de aluminio son ligeros pero tienen la rigidez suficie suficiente nte para soportar vidrios de gran tamaño. Además, no son inflamables, en caso de incendio no desprenden sustancias nocivas ppara la salud. Por otra parte, la corrosión es menos notable 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 (k = 237 W/m K), K), 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 aluminio es la unión con tornillos en las esquinas de los marcos, lo que provoca filtraciones filtraciones de aire y agua; además, los tornillos pueden aflojarse. La ventana de aluminio que se evaluó, se adquirió m mediante nte 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 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 sujetad sujetador or de vinilo. El marco es de color blanco debido a que el fabricante de los perfiles los vende vend ya pintados. En la figura 2.5 se muestra la ventanaa de aluminio que se utilizó para la evaluación. Figura 2.5 Ventana de Aluminio Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II 2.4.2 Ventana de fierro Las ventanas de fierro se utilizan desde hace mucho muchoss años en México. Este tipo de ventanas representaron la opción más accesible y económica para los compradores. Actualmente Actualmente, la mayoría se sustituyeron por ventanas de aluminio y en algunos casos por ventanas de PVC. Este tipo de ventanas se fabrican con perfiles tubulares tubulares de Acero. Para formar una ventana de fierro con un tipo de operación específica, esp se requiere combinar diversos perfiles previamente cortados en secciones de acuerdo al tamaño de la ventana ventana que se desea fabricar. El vidrio insertado en el marco se sujeta a presión con perfiles perfi porta-vidrio vidrio o junta-vidrio junta y se sella aplicando silicón. licón. Por lo general, la conductividad térmica del Acero (kk = 80.2 W/m K) que se utiliza para fabricar los perfiles y construcción dde los marcos de fierro es más elevada que los materiales como la madera o el PVC pero menor que el e aluminio. La ventana de fierro que se evaluó, se adquirió por parte de la empresa e 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 con soldadura eléctrica. El vidrio es claro cl de 6 mm de espesor, el cual se sujetó en el interio interiorr del marco con un perfil tubular porta porta-vidrio modelo 154 calibre 18 con pijas de 1.9 cm (3/4 pulg pulg)) y se selló con silicón. Además, la superficie del marco de la ventana se pintó con pintura pin de esmalte acrílico en aerosol color negro 117 de la marca Optimus. En la Figura 2.6 se muestra la ventana de fierro que se utilizó. utilizó Figura 2.6 Ventana de Fierro Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II 2.4.3 Ventana de madera La ventana de madera se utiliza desde la época colonial colonial en México. Su apariencia proporciona un toque de elegancia y tradicionalismo que modifica modifica totalmente el diseño de una vivienda. Desde el punto de vista térmico, la ventana de madera made (k = 0.13 W/m K) tiene un buen desempeño, entre más grueso es el marco, mayor es el el aislamiento que este provee. Normalmente, los marcos de madera son grandes, tienen una excelente excele rigidez y resistencia a los golpes; sin embargo son muy susceptibles al agua agu y al ataque de las as polillas polillas, pero con un buen mantenimiento su vida útil puede ser muy prolongada. prolongada. Las ventanas de madera se fabrican comúnmente de pino o maderas tropicales y se les aplican 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 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 con marcos de tablón de 7.5 cm (3 pulg). El vidrio es de tipo claro de 6mm, el cual está fijo en ell marco por baguetas con moldura pecho paloma y clavos de 1.27 cm (1/2 pulg). Además, Además, en la superficie del marco se aplicó un sellador de Nitrocelulosa NS-44/300 NS 44/300 de la marca Sayer Lack para evi evitar la humedad. En la Figura 2.7 se muestra la ventana de madera mader que se evaluó. Figura 2.7 Ventana de Madera Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II 2.4.4 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 número de proveedores para este tipo de ventana son muy reducidos; sin embargo, su comercia comercialización lización va en aumento por la introducción de distribuidores distribuidores y ensambladoras en diversos estados del país. Los marcos de PVC usualmente tienen refuerzos de materiales metál metálicos icos 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 Nor los marcos de PVC son más robustos que los de aluminio, de fierro e inclusive inclusive de madera. Las ventanas se forman uniendo los marcos por fundición (soldadura por calor) calor) asegurando una alta resistenc resistencia y durabilidad. En cuanto al desempeño térmico (k = 0.12 W/m K),, esta clase de marcos son comparables con los de madera. La ventana de PVC que se evaluó, se adquirió mediante 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 de dell marco por soportes con pijas de 1.27 cm (1/2 pulg pulg), junquillos que se colocan a presión y sujetadores de poliureta poliuretano. no. Además, el marco tiene un acabado de fábrica en color blanco. En la F Figura 2.8 se muestra la ventana de PVC que se evaluó. Figura 2.8 Ventana de PVC Transferencia de Calor en Ventanas Capítulo II En la Tabla 2.1 se muestran las propiedades termo físicas de los materiales de los marcos de las ventanas. Tabla 2.1. Propiedades termo físicas de los materiales ! "# $% & '(% * )%&( & + , -. + + + + Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III Capítulo III Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento En este capítulo se describe la metodología de evaluación de ventanas; también se especifican las partes con las que cuenta el aparato tipo Hot Box. Para el desarrollo de este proyecto de tesis se presenta el modelo y el equipo experimental empleado para la evaluación de ventanas; así como la configuración, funcionamiento, instrumentación y operación del aparato tipo Hot Box con base en los requerimientos establecidos por las normas ASTM C1363 y ASTM C1199. Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III 3.1 Aparato tipo Hot Box Uno de los métodos para conocer el desempeño térmic térmicoo de una ventana es mediante la experimentación. Las ventanas se evalúan normalmente mediante calorímetros. Existen Exist diversos métodos de calorimetría; algunos utilizan dispositivos spositivos que simulan habitaci habitaciones a escala con simuladores solares (Álvarez et al. 2000) y otros emplean aparatos tipo Hot Box en los que se pueden establecer condiciones de temperatura controlada del de interior y exterior de una edificación. Los aparatos tipo Hot Box tienen muchas configuraciones que dependen del tipo de medición iere realizar. Según la norma ASTM C1363, C los os componente componentes más significativos que se requiere del Hot Box son: 1) la cámara de medición (CAEMD), 2) la cámara de ambiente (CAMB) y 3) el panel o marco de pruebas que soporta la muestra. Estos elementos en su conjunto, proporcionan adecuadamente la medición del flujo de calor a través és de las muestras a evaluar. El esquema típico de un aparato tipo Hot Box según la norma ASTM C C1363 es el que se muestra en la Figura 3.1. Figura 3.1. Aparato tipo Hot Box. Dos configuraciones se han utilizado por muchos investigadores investigadores para la evaluación de envolventes térmicas de edificios. En la primera se considera introducir la cámara de medición Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III en una cámara de guarda la cual mantiene el aire am ambiente a una temperatura temperat controlada, en la Figura gura 3.2 se muestra esta configuración. Figura 3.2. Aparato tipo Hot Box con cámara de guarda En la segunda configuración guración no se utiliza la cámara de guarda en el Hot Box. Box Este es un caso que considera el aire ambiente externo del apar aparato ato como la cámara de guarda, Figura F 3.3. Figura 3.3. 3. Aparato tipo Hot Box sin cámara de guarda. Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III 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: (3.1) donde T es la diferencia de temperaturas entre 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 T. La Qm se puede determinar realizando un balance de flujo de calor en la cámara de medición. La energía total o la 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: (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. Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III 3.2 Balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box En las normas ASTM C1363 C y ASTM C1199 se detallan los procedimientos para la caracterización del aparato tipo Hot Box,, la calibración del panel de pruebas y la evaluaci 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 tipo 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. ambiente. La cámara de medición es la más importante debido a que en esta se realizan las mediciones mediciones principales para cuantificar el flujo de calor a través de las muestras. La configuración del aparato tipo Hot Box del Laboratorio de Tecnología Solar del DIM-CENIDET, DIM es como la que se muestra en la Figura 3.3; las muestras a evaluar son muy pequeñas con respecto a la abertura de la cámara de medición y las condiciones de prueba son en estado permanente; por lo tanto el esquema del balance del flujo ujo de calor se muestra en la Figura F 3.4. Figura 3.4. Flujo de calor en el aparato tipo Hot Box.. Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III 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: (3.3) El flujo de calor que se agrega a la cámara de medición QT se puede determinar mediante la ecuación: (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: (3.5) El Qcal y Qvent se puede determinar midiendo la tensión y la intensidad eléctrica de las fuentes que suministran energía a los calentadores y ventiladores. Para conocer el factor U de la muestra a evaluar, al sustituir los flujos de calor se obtiene la siguiente ecuación: ! " # $ %&' ! &'( ) ", $ %&' ! &* + " &* + $ %&' ! %&'( ) %&'( ) (3.6) 3.2.1 Flujo de calor a través 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 C1363 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: - # ." # .$ /* 1 0) (3.7) Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III 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, kef es la conductividad térmica 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: 2 3 456 . 7 . 8 93 4: . 7; (3.8) donde Ain es el área de superficie interior de la cámara de medición en m2, 8 93 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 (3.7) 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: (3.9) Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III Figura 3.5. 3. Flujo de calor a través de la cámara de medición. Como se observa en la Ecuación cuación (3.9) (3.9 y en la Figura igura 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 llas paredes. Una vez obtenido el flujo de calor que se pierde por la lass paredes, bajo las condiciones de prueba se determina el factor U de las paredes: paredes < ! " # $ %&' ! &'( ) (3.10) donde Tcamed es la temperatura promedio del interior de la cámara cámar de medición, Tamb es la temperatura de promedio del laboratorio. Para obtener obtener resultados confiables del flujo de calor y del factor U de las paredes de la cámara de medición es necesari necesario realizar diversas divers pruebas bajo condiciones de temperatura ambiente del laboratorio laboratorio en periodos representativos durante el cual se evaluarán las ventanas. En este trabajo, particularmente para este procedimiento, se realizó de una manera difere diferente; la cual consistió en retirar tirar el panel de pruebas y colocar una muestra de referencia del tamaño de la abertura de las dos cámaras. Esta muestra debe ddee cumplir con los requerimientos especificados den la norma ASTM C518. En la Figura 3.6 se muestra el esquema del balance Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III del flujo de calor que se pierde a través de las parede paredess de la cámara de medición, usando una muestra de referencia. Figura 3. 6.. Flujo de calor a través de la cámara de medición, utilizando una muestra de referencia entre las cámaras. De la Ecuación (3.5), tomando en cuenta que no hay flujo de calor a través del panel Qpanel y no habrá pérdidas por las uniones ventana ventana-panel Qesq, esta se reduce a: (3.11) donde QT es el flujo de calor agregado a la cámara de medición medición y se determina mediante la Ecuación (3.4) y Qm se puede calcular a partir de la siguiente ecuación ecuación: -' . "' . ' 1' (3.12) donde Am es el área de la sección transversal de la muestra, mues Lm es el espesor de la muestra, Tm es la diferencia de temperatura entre las superficies de la muestra y km es la conductividad térmica de la muestra. Conociendo el flujo de calor agregado se determina el factor U de las paredes aredes mediante la Ecuación (3.10). Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III 3.2.2 Flujo de calor 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 eell área faltante. También, el panel sirve como soporte para las ventanas. 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 abe abertura rtura en el centro donde se coloca una muestra de referencia de dimensiones similares a la lass ventanas a evaluar. En la Figura 3.7 se muestra el balance del flujo de calor para la carac caracterización terización del panel similar al esquema para la evaluación de las ventanas. Figura 3.7. Flujo de calor en el panel de pruebas. Conociendo las características térmicas de la muestra muestra de referencia sin considerar los efectos de la interacción muestra-panel, panel, las pérdidas a través de las paredes además del flujo de calor que se agrega a la cámara de medición, de la Ecuación E (3.3) se tiene ene que el flujo de calor a través del panel de pruebas se expresa como: (3.13) Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III donde: < &* + " &* + $ %&' ! %&'( ) (3.14) Según lo indicado en la norma C C1199 de la ASTM,, la muestra de referencia que se utiliza para la caracterización del panel de pruebas debe cumpli cumplirr con los requerimientos requerimien especificados en la norma C518 también de la ASTM. Las pérdidas de calor ocasionadas ocasionad por la interacción muestra-panel Qesq no se consideran para la caracterización del panel 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 panel es tan pequeño que se desprecia. Además para dicha prueba el flujo de calor que se pierde de la interacción muestra-panel 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. ventana de pruebas 3.2.3 Flujo de calor por la interacción ventana-panel Las pérdidas de calor por la interacción ventana-panel 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 C1363 C1363 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 dee la cámara de medición. En la F Figura igura 3.7 se muestra la zona de interacción de la ventana y el panel. Figura 3.8. Zona de interacción ventana-panel. Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III En la norma ASTM C1363 se propone una ecuación para estimar de forma teórica las pérdidas por la interacción ventana-panel. La ecuación propuesta está dada por: = 2 . $ >7 ) 2 . (3.15) donde kef 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 m2, Lef es la longitud efectiva alrededor de toda la ventana dado en m, Ta-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. 3.2.4 Flujo de calor por radiación térmica del deflector y la ventana De acuerdo a la norma ASTM C1363, 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. 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: ?@ ? ? (3.16) 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: Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen ? C AB $ C Capítulo III D) (3.17) donde Ts-d y Tamb son las temperaturas de la superficie del deflector y la temperatura ambiente al interior de la cámara, es la emisividad del deflector y 2 es la constante de Stefan Stefan- 4 Boltzmann ( = 5.67x10-88 W/m K ). La razón del flujo de calor por radiación térmica de la ventana esta dado por: ? C AB$ C D) (3.18) Sustituyendo ustituyendo las ecuaciones (3.17) y (3.18) en (3.16 (3.16), se obtiene: ?@ AB $ C C D) AB $ C C D) (3.19) Considerando que la ventana tiene una emisividad similar 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 3.9 se muestra el esquema del intercambio ercambio radiativo térmico entre la ventana y los deflectores de la cámara de medici medición y de ambiente. Figura 3.9.. Intercambio radiativo térmico entre el deflector y la ventana Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III 3.3 Experimento A continuación se describe el procedimiento mediante el cual se llevó a cabo las pruebas experimentales para determinar el Factor U de cada una de las ventanas. 3.3.1 Modelo experimental El modelo experimental se implementó considerando los requerimientos y procedimientos indicados en las normas ASTM C1363 para la puesta a prueba del aparato tipo Hot Box y la norma ASTM C1199 para la evaluación del Factor U de ventanas. Para llevar a cabo la evaluación de las ventanas el equipo experimental está compuesto por: el aparato tipo Hot Box, que se compone de una cámara de medición, de una cámara de ambiente y de un panel de pruebas; un sistema de acondicionamiento de la temperatura del aire y un sistema de control y adquisición de datos. En la Figura 3.10 se muestra el modelo experimental utilizado para la evaluación del factor U de las ventanas. Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III Figura 3.10. Modelo experimental 3.3.2 Equipo experimental En la Figura 3.11 se muestra el equipo experimental, experimental donde laa ventana se coloca entre la cámara de medición y de ambiente; ambiente soportada por el panel de pruebas, la cual está sujeta suj utilizando un soporte formado por tubos tubo de PVC y madera (MDF). La cámara de medición simula el interior de una habitación y la cámara de ambiente el exterior. exterio En la cámara de medición dición se ubica un sistema de calentamiento,, el cual mantiene constante consta la temperatura del aire a ±0.5°C. C. En la cámara de ambiente se encuentra un sistema de enfriamiento que mantiene constante la temperatura del aire a ±0.5 ±0.5°C. Durante las pruebas se mide la temperatura promedio del laboratorio, la temperatura temperatura promedio de la cámara de medición y la del ambiente. Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III Figura 3.11. Equipo experimental La cámara de medición consta de tres partes principales, 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 dos ventiladores conectados en paralelo que se utilizan para recircular el aire, ambos ambos son de corriente directa (CD) (CD). También, en el compartimiento iento principal frente a la ventana, se tiene un deflector deflector hecho de fibra de vidrio con una emisividad aproximada de 0.9 de acuerdo a la no norma rma NFRC 101 101-2006. El deflector cumple dos funciones: distribuir de manera uniforme el aire impulsado por el ventilador ventilad y asegurar que la ventana tenga un intercambio radiat radiativo ivo térmico únicamente con el deflector. Para la medición de la temperatura en la cámara de medición, se tienen termopares tipo T calibre 30. Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III En la cámara de ambiente se simulan las condiciones al exterior de una habitación. Los compartimientos superior e inferior son para acondicionar la temperatura del aire por un intercambiador de calor que funciona con agua a temperatura controlada, suministrada por un enfriador recirculatorio. También, para recircular el aire se encuentra un ventilador conectado 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 esta cámara, se tienen 15 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. 3.3.2.1 Sistema de acondicionamiento de temperatura del aire Con el fin de tener un mejor control de la temperatura en la cámara de medición, se colocaron tres enchufes 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 al exterior de una habitación por lo que no se requiere la medición del flujo de calor agregado o perdido en la cámara. En el interior de la cámara ambiente, los intercambiadores de calor enfrían el aire que se recircula mediante un ventilador radial, de la marca Lasko de 46 W, colocado en compartimiento inferior. El ventilador de la cámara ambiente es de corriente alterna. En la Figura 3.12 se muestran los acondicionares de temperatura del aire del aparato tipo Hot Box. Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen a) Focos en la cámara de medición Capítulo III b) Intercambiador de calor de la cámara ambiente Figura 3.12. Acondicionadores de la temperatura del aire del aparato apa tipo Hot Box El intercambiador de calor que se encuentra en la cámara ambiente es de tipo parrilla, constituidos por tubos de cobre aletados interconectados interconectados por dos cabezales que distribuyen el flujo del agua que circula a través de ellos. Para este caso se tuvo que hacer una modificación al intercambiador,, donde se aument aumentó el área de transferencia de calor, debido a que, que con el que se contaba no era suficiente para que el aire aire bajará la temperatura en el intervalo de 11°C a 14°C, °C, por esto se tuvo que agregar dos radiadores de 70 cm de largo y 42 cm de alto conectados en seriee con el intercambiador de calor exi existente. El fluido por el circula en el intercambiador de calor,, en este caso agua con anti anticongelante, congelante, es provisto por un enfriador re circulatorio, su función es la de enfriar el agua, agua para acondicionar dicionar el aire, usando la refrigeración por compresión; está compuesto por una unidad condensadora, un compresor y un evaporador. En la Figura igura 3.13 3.1 se muestra el enfriador re circulatorio,, de marca LG con una capacidad de enfriamiento de 12 000 Btu/h, utilizado ilizado en la cámara ambiente. Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III Figura 3.13. Enfriado recirculatorio utilizado para el acondicionamiento del aire dentro de la cámara ambiente. 3.3.2.22 Sistema de control y adquisición de datos El sistema de control para el flujo de calor suministrado suministrado en la cámara de medición se realizó mediante un regulador de la tensión eléctrica (DIMMER). (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 esperado,, el DIMMER permite variar la tensión eléctrica suministradaa a los focos. En la Figura 3.14 se muestra tra el control manual de los focos y las cuchillas de protección. a) Cuchillas de protección b) Circuito de control para focos Figura 3.14.. Sistema de control manual de la temperatura de la cámara de medición Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III 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 una fuente de alimentación regulable, ver Figura 3.15. Figura 3.15. Fuente de alimentación de CD regulable para los ventiladores de la cámara de medición En la cámara ambiente, la temperatura del aire se mantiene constante utilizando el intercambiador de calor modificado que se encuentra en el compartimiento superior. El intercambiador de calor agrega o absorbe calor del aire de la cámara de ambiente y lo transfiere al agua que circula a través de este. El agua se suministra por medio de un enfriador re circulatorio, el cual se controla por un circuito eléctrico. En la Figura 3.16 se muestra el circuito eléctrico y los sensores de protección para el control del enfriador re circulatorio; en el sensor se establece la temperatura de operación de la cámara de ambiente, este envía una señal al circuito eléctrico activando el enfriador recirculatorio. Si se desea aumentar la temperatura de la cámara 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 aire en la cámara. Por el contrario, si lo que se requiere es disminuir la temperatura en la cámara ambiente, el circuito eléctrico activa la línea de alimentación de la unidad condensadora del enfriador re circulatorio. Además, como medida de seguridad, el enfriador re circulatorio 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 del enfriador re circulatorio. Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento a) Sensores de protección Capítulo III b) Circuito de control eléctrico Figura 3.16. Sistema de control eléctrico para el enfriador re circulatorio En la cámara ambiente también se cuenta con un ventilador, de marca Lasko, en el compartimiento inferior. El ventilador es radial y funciona 127 V con corriente alterna. En la figura 3.17 se puede observar el sistema de adquisición de datos, en el cual 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. Los datos de temperatura se registran, almacenan y visualizan mediante un sistema de adquisición de datos que cuentan con los siguientes elementos: - Software LabView 8.2. Mediante este software se realiza el programa para el registro de temperaturas. - Dispositivo aquisidor de datos USB 6218 desarrollado por National Instruments. Recibe toda la información enviada por los termopares. . Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento a) Aparato adquisidor USB 6218 Capítulo III b) Visualizador y registro de temperaturas Figura 3.17. Sistema de adquisición de datos para el aparato tipo Hot Box 3.3.3 Instrumentación La medición de la temperatura se realiza en la cámara de medición y en la cámara de ambiente, lo que requiere de la utilización de diversos termopares. Para evitar los efectos de la radiación térmica que ocasionan los focos, se adicionó un deflector al interior de la cámara de medición. Para sujetar las ventanas se cuenta con un panel de pruebas, el cual proporciona un 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. 3.3.3.1 Termopares Para la medición de la temperatura en el aparato tipo Hot Box se utilizaron termopares tipo T calibre 30. Las terminales de los termopares se concentraron en una caja de zona diseñada y construida por Macias (2008) que se encuentra conectada al adquisitor de datos de temperatura USB 6218 BNC 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. Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III En la Figura 3.18 se puede observar la distribución de los termopares en el aparato tipo Hot Box. a) Distribución de los termopares b) Termopares conectados a la caja de zona Figura 3.18. Distribución de termopares Al realizar la caracterización de la cámara de medición se colocó una termopila de 11 puntas en el centro de la muestra de referencia. Esta termopila mide una diferencia de temperatura entre las superficies de la muestra que están expuestas a la cámara de medición y a la cámara ambiente. En la Figura 3.19 se muestra la colocación de la termopila en la muestra de referencia. Figura 3.19. Colocación de la termopila en la muestra de referencia Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III 3.3.3.2 Deflectores 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 tiene un deflector del mismo material de 0.67 m de largo por 1.17 m de alto, con 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. 3.3.3.3 Panel de pruebas y soporte De acuerdo a las normas ASTM C1363 y ASTM C1199, 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. El panel de pruebas se diseñó y se construyó por Vicente (2009) de tal manera que resista las temperaturas de la experimentación de las ventanas. El panel de pruebas es ligeramente más alto y ancho a la cámara de medición con 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. Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Capítulo III El soporte tipo marco esta formado por cuatro tubos de PVC tipo conduit de 6 cm de diámetro, diámetr colocados enn dos pares (izquierda y derecha) unidos en la parte part inferior y superior mediante dos placas de madera de 1.5 m de largo separadas entre entre sí a una altura de 2.44 m. En la Figura 3.20 se muestra el panel de pruebas con el soporte. soporte Figura 3.20. Panel de pruebas 3.3.4 Procedimiento de la experimentación El procedimiento general de la experimentación de las las ventanas representativas de la República Mexicana se describe en el diagrama prese presentado tado en la Figura F 3.21. La experimentación se realiza en tres etapas. En la pr primera imera 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 ven ventanas. En la segunda etapa, se calcula el factor Upanel del panel de pruebas utilizando una muestra de referencia refe de características térmicas conocidas. La muestra de referencia se col coloca oca en la abertura del panel de pruebas como si fuera una ventana a evaluar. La últi última ma 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 fl flujos ujos de calor respectivos, después, se determina el flujo de calor or a través de la ventana y por último el factor Uv. Descripción escripción del aparato tipo Hot Box y del experimento experimen Figura 3.21 21.. Procedimiento general de la experimentación de las ventanas ventan Capítulo III Descripción del aparato tipo Hot Box y del experimento Capítulo III 3.3.5 Funcionamiento del aparato tipo Hot Box Al inicio, se encienden los focos, para que se incremente la temperatura en el compartimiento principal de la cámara de medición; 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 un ventilador radial situado en el compartimiento inferior. Los intercambiadores absorben calor al interior de la cámara, ya que se requiere un temperatura de alrededor de 11°C a 14°C. El ventilador de la cámara de ambiente funciona al mismo tiempo que los intercambiadores de calor para mantener la misma temperatura del aire con una variación de ±0.5°C. En la cámara de medición y en la cámara de ambiente se encuentran ubicados dos deflectores para obtener una circulación uniforme del aire y como barrera radiativa en la ventana. Mientras funciona el aparato tipo Hot Box se monitorean la temperatura al interior de las cámaras y la temperatura ambiente del laboratorio; así como la tensión e intensidad eléctrica de los focos y ventiladores. Resultados Capítulo IV Capítulo IV Resultados En este capítulo se presentan los resultados obtenidos de la caracterización de la cámara de medición del aparato tipo Hot Box, así como la caracterización del panel de pruebas y la evaluación de las ventanas representativas de la República Mexicana, bajo condiciones de prueba de acuerdo a la región de clima frío. Resultados Capítulo IV 4.1 Caracterización del aparato tipo Hot Box. La caracterización del aparato tipo Hot Box comprende el cálculo de las pérdidas de calor al medio ambiente de la cámara de medición, en condiciones de 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. Las pruebas se realizaron en el Laboratorio de Tecnología Solar del Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (Latitud 18.83°, Longitud 99.10°), el período que comprendió del 11 de octubre al 18 de noviembre del 2011. 4.1.1 Caracterización de la Cámara de Medición Para realizar esta prueba se consideró la influencia de la temperatura del Laboratorio de Tecnología Solar sobre la temperatura al interior de la cámara de medición, por lo tanto 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. En la Figura 4.1 se muestran los resultados obtenidos de la prueba, que son el comportamiento de la temperatura ambiente del laboratorio y de la temperatura al interior de la cámara de medición. Figura 4.1. Comportamiento de la temperatura del aire al interior de la cámara de medición durante 2 y medio días Resultados Capítulo IV Como se observa en la Figura 4.1, las paredes de la cámara de medición amortiguan, en aproximadamente 2°C los cambios de temperatura con respecto al ambiente interior del Laboratorio de Tecnología Solar. También, se puede apreciar que los horarios de mayor temperatura al interior del laboratorio son entre las 11 y las 5 de la tarde, mientras que los de menor temperatura son entre las 6 de la tarde y las 9 de la mañana. Además, se puede ver que durante la noche las oscilaciones de temperatura son menos abruptas. 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; se puede observar que mientras la Tamb varía en un intervalo de ±2.5°C, la Tcamed varía ±0.2°C. Figura 4.2. Comportamiento de la temperatura al interior de la cámara de medición durante un día Después de evaluar el comportamiento térmico de la cámara de medición con respecto a la temperatura del laboratorio, se prosiguió a realizar la caracterización para determinar el factor Upérd de la cámara de medición. Este procedimiento se realizó como se presentó al final de la Sección 3.2.1; esto debido a que no se contaba con el equipo para poder igualar las temperaturas en ambas cámaras. Resultados Capítulo IV En la Figura 4.3 se muestra el modelo físico utilizado para la caracterización de la cámara de medición. Para esto, la cámara de medición se fijó a una temperatura de 28.3°C 28 con ±0.5°C y la cámara ambiente a 13.0 .0°C con ±0.5°C,, esta última es la temperatura la cual se considera para la evaluación de las ventanas bajo la condición del exterior en invierno de una habitación h conforme a los datos presentados por Medina, (2009) (2009). . Figura 4.3. Caracterización aracterización de las paredes de la cámara de medición medición. Durante la prueba see colocó una un muestra de poliestireno extruido entre las cámaras, con el fin de conocer el flujo de calor que hay entre estás; eell cual se puede calcular fácilmente ya que es un material con características conocidas. En la Figura 4.4 se muestra la gráfica en la cual se presentan las temperaturas obtenidas del aire en la cámara de medición, en la la cámara ambiente, la diferencia de temperaturas temperatura entre las superficies de la muestra y la del ambiente del laboratorio se mantuvieron aproximadamente constantes con una variación de ±0.3°C. ±0.3°C Estos datos se graficaron a partir de las 22:19 a las l 00:19 hrs. Resultados Capítulo IV Se observa que la temperatura de la cámara de medición tuvo pequeñas oscilaciones de alrededor ±0.2°C y a partir de las 23:24 hrs. empezó a incrementar la temperatura y eso afectó a la diferencia de temperaturas entre las superficies de la muestra, que también aumentó. La temperatura ambiente del laboratorio fue la que presentó una mayor variación, durante la medición, de aproximadamente ±0.3°C. La temperatura al interior de la cámara ambiente fue de 13.0°C y presentó una mayor oscilación al final de la prueba, de alrededor ±0.2°C. Figura 4.4. Comportamiento de la temperatura del aire para la caracterización de la cámara de medición. En la Tabla 4.1 se representan los promedios de cada hora de las temperaturas de la cámara de medición, de la cámara ambiente, del ambiente del laboratorio y la diferencia de temperatura entre las superficies de la muestra; también los resultados obtenidos del flujo de calor agregado, del flujo de calor que hay a través de la muestra, el flujo de calor perdido en las paredes de la cámara de medición y el factor Upérd. Resultados Capítulo IV Tabla 4.1. Parámetros de la caracterización de las paredes de la cámara de medición. Tiempo Tcamed Tcamb Tlab Tm QT Qm Qpérd Upérd hr:min:s (°C) (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W/m2°C) 22:19:35 28.2 13.0 24.4 14.0 48.1 27.8 20.3 1.0 23:19:35 28.4 13.0 24.5 14.2 48.1 28.2 19.9 0.9 PROMEDIO 28.3 13.0 24.4 14.1 48.1 28.0 20.1 1.0 En la prueba que se realizó, se promediaron las mediciones cada hora para la determinación del factor Upérd , considerando el intervalo de tiempo en el que aproximadamente se estabilizaron las temperaturas al interior del aparato tipo Hot Box. De los resultados que se muestran en la tabla se observa que del calor que se agrega más del 50% se pierde a través del panel de foamular. Aplicando el cálculo de la incertidumbre de la Ecuación (A1.1) del Anexo 1, se determinó que la incertidumbre de la prueba para la caracterización de las paredes de la cámara de medición fue de ±0.2 W/m2°C; por lo tanto se tiene un Factor Upérd de 1.0 ±0.2 W/m2°C. Resultados Capítulo IV 4.1.2 Caracterización del panel de pruebas El siguiente paso consistió en caracterizar el panel de pruebas, en la Figura 4.5 se muestra el modelo físico, para esto se colocó el panel de pruebas entre las dos cámaras y en la aabertura que tiene en el centro se colocó una muestra de poliestireno poliestireno extruido de 0.6 X 0.6 cm con un espesor esor de 0.025 m (1 pulg) con un factor Um 1.1 W/m2°C. Para esta prueba se establecieron condiciones de temperatura de 28.8°C 28 °C en la cámara de medición, mientras que en la cám cámara ambiente de 11.2°C. Figura 4.5. Caracterización del panel de pruebas. ara la caracterización del panel de pruebas se realizó de acuerdo al balance del La prueba para flujo de calor de la Ecuación (3.14) (3.1 ) de la Sección 3.2.2. Las temperaturas dentro del de aparato tipo Hot Box se establecieron considerando las temperaturas de eevaluación de las ventanas. En la Figura 4.6 se muestra el comportamiento de la temperatura del aire al interior int de la cámara de medición y de la cámara ambiente, así como com la del ambiente del laboratorio; estas Resultados Capítulo IV se mantuvieron aproximadamente constantes con una variación de ±0.3°C, las mediciones se tomaron a partir de las 18:37 hrs. a las 23:37 hrs. Se puede observar que las curvas presentaron mayor oscilación, en comparación con la prueba anterior; la temperatura de la cámara ambiente fue la que tuvo menor variación de alrededor de ±0.02°C. Tanto la temperatura al interior de la cámara de medición como la temperatura ambiente del laboratorio presentaron un incremento y un decremento, respectivamente, de ±0.3°C. 4.6. Comportamiento de la temperatura para la caracterización del panel de pruebas La Tabla 4.2 presenta las temperaturas de la cámara de medición, las temperaturas de la cámara ambiente, las temperaturas del laboratorio, promediados por cada hora que duró la medición de la prueba; 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. Resultados Capítulo IV Tabla 4.2. Parámetros de la caracterización del panel de pruebas. Tiempo Tcamed Tcamb Tlab QT Qpérd Qm Qpanel Upanel hr:min:s (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 18:37:40 28.5 11.3 25.3 41.4 17.1 6.8 17.5 0.7 19:37:40 28.6 11.2 25.3 41.4 18.0 6.9 16.4 0.7 20:37:40 28.8 11.2 25.2 41.4 19.3 6.9 15.2 0.6 21:37:40 29.0 11.2 25.4 41.4 19.4 7.1 15.0 0.6 22:37:40 29.2 11.3 25.4 41.4 20.3 7.1 14.0 0.5 PROMEDIO 28.8 11.2 25.3 41.4 18.8 7.0 15.6 0.6 De la tabla se observa que el 45% del flujo de calor agregado se pierde a través de las paredes de la cámara de medición, tan solo el 17% pasa a través de la muestra de poliestireno extruido y el 38% a través del panel de pruebas, el cual es el dato que nos interesa para el cálculo del factor Upanel. Al igual que en la caracterización de la cámara de medición, se promediaron por hora los datos obtenidos a partir de la medición, para la determinación del factor Upanel; de acuerdo a la Ecuación (3.11) se calculó el Factor Upanel de 0.6±0.2 W/m2°C. La incertidumbre de la prueba se calculó con la Ecuación (A1.2) del Anexo 1. 4.2 Caracterización de las ventanas representativas de la República Mexicana. En este apartado se presentan los resultados obtenidos para el cálculo del Factor Uv de las ventanas representativas de la República Mexicana. 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 fue de 25°C y en la cámara ambiente se tomó un intervalo de 11°C a 14°C; tomando en cuenta las condiciones de clima frío. El balance del flujo de calor en el aparato tipo Hot Box de la Ecuación (3.6) presentado en la Sección 3.2 fue Resultados Capítulo IV utilizado para la realización de las pruebas. En la Figura 4.7 se muestra el modelo físico para la caracterización de las ventanas. Figura 4.7. Evaluación de una ventana. Para llevar a cabo el cálculo del Factor U de cada una de las ventanas a evaluar, se monitoreo la temperatura del aire del Labor Laboratorio atorio de Tecnología Solar; se midió la tensión e intensidad i eléctrica de los focos y ventiladores instalados en la cámara de medición para determinar el flujo de calor agregado a la cámara. Las pérdidas ddee calor por las paredes se calcularon considerando un factor Upérd de 1.0 W/m2°C. Los flujos de calor en el panel de pruebas se determinaron utilizando un factor Upanel de 0.6 W/m2°C de acuerdo a las pruebas de caracterización que se realizaron al inicio de la experimentación. e En los resultados se presentan los flujos de calor obtenidos, el factor U de cada una de las ventanas evaluadas y su incertidumbre. Resultados Capítulo IV 4.2.1 Cálculo del Factor U de la Ventana de Aluminio Para la evaluación de la ventana de aluminio se realizaron dos pruebas experimentales. En la Figura 4.8 se observan las temperaturas al interior del aparato tipo Hot Box y la temperatura ambiente del laboratorio. Durante la prueba que comenzó a partir de la 01:09hrs. hasta las 03:19 hrs; estas mediciones se mantuvieron aproximadamente constantes con una variación de ±0.2°C. De la gráfica se puede observar que la temperatura al interior de la cámara de medición y la temperatura del ambiente del laboratorio presentan una diferencia ligera, de 0.4°C, es por esto, que el flujo de calor que se pierde a través de las paredes de la cámara de medición es pequeño, de alrededor de 6.5% del flujo de calor que se agrega a la cámara de medición. Figura 4.8. Prueba 1: Caracterización de la ventana de aluminio En la Figura 4.9 se muestra el comportamiento de las temperaturas al interior de la cámara de medición y de la cámara ambiente, así como la temperatura ambiente del laboratorio. Estas mediciones se tomaron durante la segunda prueba, a partir de las 20:14 hrs hasta las 22:16 hrs., las cuales tuvieron una variación de alrededor de ±0.3°C. Resultados Capítulo IV Figura 4.9. Prueba 2: Caracterización de la ventana de aluminio En la Tabla 4.3 y en la Tabla 4.4 los parámetros para la caracterización de la ventana de aluminio de la primera y segunda prueba, respectivamente. Se calculó el flujo de calor perdido, el flujo calor que pasa a través del panel y de la ventana, lo anterior a partir de las mediciones promediadas por hora de las temperaturas y del calor suministrado, para finalmente conocer el Factor UAl mediante la Ecuación (3.6). Tabla 4.3. Prueba 1: Parámetros de la caracterización de la ventana de aluminio. Tiempo Tamb Tcamed Tcamb QT Qpérd Qpanel QAl UAl hr:min (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 01:09 - 02:04 24.9 25.4 14.0 38.7 2.7 9.6 26.4 6.4 02:09 - 03:04 24.9 25.4 13.9 38.7 2.7 9.7 26.3 6.4 03:09 - 03:19 24.9 25.4 14.0 38.7 2.7 9.6 26.4 6.4 PROMEDIO 24.9 25.4 14.0 38.7 2.7 9.6 26.4 6.4 Resultados Capítulo IV Tabla 4.4. Prueba 2: Parámetros de la caracterización de la ventana de aluminio. Tiempo Tamb Tcamed Tcamb QT Qpérd Qpanel QAl UAl hr:min (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 20:14 - 21:09 24.6 25.5 14.1 36.7 4.9 9.8 22.0 5.4 21:14 - 22:16 24.8 25.6 14.1 36.7 4.3 9.9 22.5 5.4 PROMEDIO 24.7 25.6 14.1 36.7 4.6 9.9 22.2 5.4 De acuerdo a los resultados, se observa que el flujo de calor que pasa a través del panel de pruebas es ligeramente diferente, en ambas pruebas, con una variación de ±0.1W; esto quiere decir que el panel de pruebas es un buen aislante entre la cámara de medición y la cámara ambiente. En la primera prueba de la caracterización de la ventana de aluminio, se obtuvo un factor UAl de 6.4±0.8 W/m2°C, para la segunda prueba UAl de 5.4 ±0.9 W/m2°C; estos resultados están ligeramente fuera del rango de incertidumbre del experimento. Las incertidumbres de las pruebas realizadas se calcularon con la Ecuación (A1.3) del Anexo 1. Se puede observar que el flujo de calor perdido para la primera prueba es menor al de la segunda prueba lo que provoca que el flujo de calor a través de la ventana en la segunda prueba sea menor. Resultados Capítulo IV 4.2.2 Cálculo del Factor U de la Ventana de Fierro Para el cálculo del Factor Uv de la ventana de fierro se utilizó la Ecuación (3.6) y se realizaron dos pruebas. La Figura 4.10 se muestra el comportamiento de la temperatura del aire al interior de la cámara de medición y de la cámara ambiente, así como la del ambiente del laboratorio de la primera prueba; estas mediciones se tomaron a partir de las 20:02 horas hasta las 22:52 horas. La temperatura al interior de la cámara ambiente presentó una oscilación mínima, en comparación con las otras temperaturas, con una variación de ±0.1°C; mientras las otras tuvieron ±0.3°C. En esta prueba las temperaturas alcanzaron las condiciones de prueba en un periodo de 5 horas, debido a que la temperatura del agua del enfriador recirculatorio estuvo a 22°C, ya que en las pruebas anteriores el agua estuvo a una temperatura de 26°C. Figura 4.10. Prueba 1: Caracterización de la ventana de fierro En la Figura 4.11 se observa el comportamiento de la temperatura del aire al interior del aparato tipo Hot Box y del ambiente del laboratorio; estas mediciones se llevaron a cabo a partir de las 17:53 horas hasta las 19:57 hrs. donde las temperaturas de las cámaras se Resultados Capítulo IV mantuvieron aproximadamente constantes, con una variación de ±0.2°C. La temperatura ambiente del laboratorio presentó un decremento durante la prueba. Figura 4.11. Prueba 2: Caracterización de la ventana de fierro En la Tabla 4.5 y en la Tabla 4.6 se muestran los parámetros para la caracterización de la ventana de fierro de las dos pruebas realizadas. Tabla 4.5. Prueba 1: Parámetros de la caracterización de la ventana de fierro. Tiempo Tamb Tcamed Tcamb QT Qpérd Qpanel QFe UFe hr:min (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 20:02 – 20:57 25.0 26.0 12.6 39.8 5.2 11.6 23.0 4.8 21:02 – 21.57 25.3 26.1 12.7 39.8 4.4 11.6 23.8 4.9 22:02 – 22:52 25.3 26.1 12.7 39.8 4.4 11.5 23.9 5.0 PROMEDIO 25.2 26.1 12.7 39.8 4.7 11.6 23.6 4.9 Resultados Capítulo IV Tabla 4.6. Prueba 2: Parámetros de la caracterización de la ventana de fierro Tiempo Tamb Tcamed Tcamb QT Qpérd Qpanel QFe UFe hr:min (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 17:53 – 18:52 25.0 25.1 12.0 33.4 0.5 11.3 21.6 4.6 18:57 – 19:57 25.0 25.0 12.0 33.4 0.0 11.2 22.2 4.8 PROMEDIO 25.0 25.1 12.0 33.4 0.3 11.3 21.9 4.7 En la primera prueba de la caracterización de la ventana de fierro, al promediar los valores de las mediciones en cada hora, se obtuvo un factor UFe de 4.9 ±0.8 W/m2°C, para la segunda prueba UFe de 4.7 ±1.2 W/m2°C. Se puede observar que en la primera prueba el flujo de calor perdido para la segunda prueba es prácticamente cero, esto se debió a que la temperatura al interior de la cámara de medición es aproximadamente igual a la temperatura del ambiente del laboratorio, con una diferencia de 0.1°C. La incertidumbre se calculó de acuerdo a la Ecuación (A1.3) del Anexo 1.Los valore de UFe están dentro del rango de incertidumbre por lo tanto se puede decir que existe repetitividad del experimento. Resultados Capítulo IV 4.2.3 Cálculo del Factor U de la Ventana de Madera Se realizaron dos pruebas de caracterización para la ventana de madera, el cálculo del Factor UV se realizó de acuerdo a la Ecuación (3.6). En la Figura 4.12 se presenta el comportamiento de las temperaturas del aire para la primera prueba. En esta prueba las temperaturas al interior del aparato tipo Hot Box llegaron a las condiciones de prueba en un tiempo no mayor a 6 horas; las mediciones se realizaron a partir de las 20:08 hrs hasta las 23:08 hrs. Se observa que la temperatura del ambiente del laboratorio presentó mayor oscilación de ±0.4°C, mientras que la temperatura al interior de las cámaras tuvieron una variación de ±0.2°C. 4.12. Prueba 1: Caracterización de la ventana de madera Las temperaturas al interior del aparato tipo Hot Box de la segunda prueba para la caracterización de la ventana de madera se observan en la Figura 4.13; las cuales estuvieron aproximadamente constantes de las 18: 38 hrs. a las 20:58 hrs, con una variación de ±0.2°C. Resultados Capítulo IV 4.13. Prueba 2: Caracterización de la ventana de madera En la Tabla 4.7 y en la Tabla 4.8 se muestran las temperaturas promediadas a cada hora, también los flujos de calor para la caracterización de la ventana de madera de las dos pruebas realizadas. Tabla 4.7. Prueba 1: Parámetros de la caracterización de la ventana de madera. Tiempo Tamb Tcamed Tcamb QT Qpérd Qpanel QMad UMad hr:min (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 20:08 - 21:03 24.9 26.1 11.4 34.3 6.5 12.3 15.5 2.9 21:08 - 22:03 25.0 26.1 11.4 34.3 5.9 12.3 16.0 3.0 22:08 - 23:08 24.9 26.2 11.3 34.3 7.0 12.5 14.8 2.8 PROMEDIO 24.9 26.1 11.4 34.3 6.5 12.4 15.4 2.9 Resultados Capítulo IV Tabla 4.8. Prueba 2: Parámetros de la caracterización de la ventana de madera. Tiempo Tamb Tcamed Tcamb QT Qpérd Qpanel QMad UMad hr:min (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 18:38 - 19:33 24.7 26.0 11.6 39.3 7.1 12.1 20.1 3.9 19:38 - 20:33 24.5 26.2 11.7 39.3 9.1 12.2 18.0 3.4 20:38 - 20:58 24.5 26.4 12.0 39.3 10.4 12.1 16.8 3.2 PROMEDIO 24.6 26.2 11.7 39.3 8.8 12.1 18.3 3.5 De lo anterior se observa que el flujo de calor agregado fue mayor por 5 W en la segunda prueba lo que provocó que el flujo de calor a través de la ventana de madera fuera mayor que en la primera prueba. Para la caracterización de la ventana de madera, en la primer prueba se obtuvo un Factor UMad de 2.9 ±0.8 W/m2°C, para la segunda prueba un Factor UMad de 3.5 ±0.8 W/m2°C. Se puede observar que el factor U que se obtuvo para la ventana de madera es menor que el de la ventana de aluminio y la de fierro. Los valores de UMad entran dentro de la incertidumbre del experimento por lo tanto hay coincidencia. La incertidumbre de ambas pruebas se calculo a partir de la Ecuación (A1.3) del Anexo 1. Resultados Capítulo IV 4.2.4 Cálculo del Factor U de la Ventana de PVC La ventana de PVC se evaluó con dos pruebas experimentales. Al igual que las ventanas anteriores se calculó el Factor Uv de la ventana de PVC mediante la Ecuación (3.6). La Figura 4.14 muestra las mediciones realizadas durante la primera prueba, que fue a partir de las 22:10 hrs. hasta las 00:20 hrs. Las temperaturas del aire al interior de las cámaras se mantuvieron aproximadamente estables con una variación de ±0.2°C. La temperatura ambiente del laboratorio presentó oscilaciones de alrededor de ±0.3°C. Cabe mencionar que para llegar a las condiciones de prueba, se tuvo una duración de 10 horas. 4.14. Prueba 1: Caracterización de la ventana de PVC En la Figura 4.15 se muestran las mismas temperaturas pero para la prueba dos. Las mediciones se llevaron a cabo a partir de las 21:21 hrs a las 23:21 hrs., periodo en el cual las temperaturas del aire al interior de las cámaras se mantuvieron aproximadamente constantes con una variación de ±0.2°C. De acuerdo a la figura se observó que se alcanzó una hora antes las condiciones de prueba que la primera medición realizada. Resultados Capítulo IV 4.15. Prueba 2: Caracterización de la ventana de PVC En la Tabla 4.9 y en la Tabla 4.10 se pueden ver los parámetros que intervienen para el cálculo del factor U de la ventana de PVC, para ambas pruebas. Se muestran las temperaturas promediadas para cada hora, los flujos de calor y finalmente el factor U calculado. Tabla 4.9. Prueba 1: Parámetros de la caracterización de la ventana de madera. Tiempo Tamb Tcamed Tcamb QT Qpérd Qpanel QPVC UPVC hr:min (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 22:10 - 23:05 24.8 26.3 12.9 30.8 7.9 11.2 11.7 2.4 23:10 - 00:05 25.0 26.6 13.1 30.8 8.3 11.3 11.2 2.3 00:10 - 00:25 24.7 26.6 13.1 30.8 10.7 11.4 8.8 1.8 PROMEDIO 24.8 26.5 13.0 30.8 8.9 11.3 10.6 2.2 Resultados Capítulo IV Tabla 4.10. Prueba 2: Parámetros de la caracterización de la ventana de madera. Tiempo Tamb Tcamed Tcamb QT Qpérd Qpanel QPVC UPVC hr:min (°C) (°C) (°C) (W) (W) (W) (W) (W/m2°C) 21:21 - 22:16 24.1 26.0 13.2 31.7 10.4 10.7 10.6 2.3 22:21 - 23:21 24.2 26.4 13.3 31.7 12.0 11.0 8.6 1.8 PROMEDIO 24.2 26.2 13.3 31.7 11.2 10.9 9.6 2.1 De los resultados obtenidos se tiene que el Factor UPVC es de 2.2 ±0.9 W/m2°C para la primera prueba y para la segunda un factor UPVC de 2.1±0.8 W/m2°C; se obtuvieron resultados similares con una diferencia de 0.1 W/m2°C. Los valores de UPVC entran dentro del rango de incertidumbre por lo tanto se puede decir que existe repetitividad en las pruebas en relación a las ventanas evaluadas. La incertidumbre se calculó a partir de la Ecuación (A1.3) del Anexo 1. La mayor incertidumbre se presentó en la UFe y en UAl, UMad y UPVC oscilaron entre 0.8W/m2°C y 0.9 W/m2°C. Resultados Capítulo IV 4.2.5 Comparación de los resultados del Factor U De acuerdo con los resultados presentados en las secciones secciones anteriores, se presenta una comparación del factor U de las ventanas evaluadas. En la Figura 4.16 se muestran los valores obtenidos en las dos pruebas experimentales para la caracterización de las cuatro ventanas con diferentes marcos y su incertidumbre. ! 4.16. Comparación omparación de los Factores U de la primera y segunda prueba. De acuerdo con la Figura 4.16 se obtuvieron resulta resultados similares del Factor U en ambas pruebas para cada una de las ventanas. ventanas. Excepto para la ventana de aluminio que se encuen encuentra ligeramente fuera del intervalo de incertidumbre debido debido a mayores pérdidas de calor a través del aparato tipo Hot Box,, esto pudo deberse a que la infiltración de aire del laboratorio fue mayor en ese día. See observa que la ventana de PVC tiene el factor U más bajo y la ventana de aluminio el más alto. En la Tabla 4.11 4.1 se presenta un concentrado del factor U de las pruebas 1 y 2 para cada una de las ventanas evaluadas. Resultados Capítulo IV Tabla 4.11. Resultados del Factor U de las pruebas realizas a las ventanas. U (W/m2°C) Ventana/Marco Factor Uprom (W/m2°C) Primera prueba Segunda prueba Aluminio 6.4 5.4 5.9±0.9 Fierro 4.9 4.7 4.8±1.0 Madera 2.9 3.5 3.2±0.8 PVC 2.2 2.1 2.2±0.9 La ventana de PVC tiene el mejor desempeño térmico para el clima frío, ya que presenta un gran aislamiento respecto a las ventanas de aluminio, fierro y madera. 4.2.6 Comparación de los resultados experimentales del Factor U de las ventanas evaluadas con valores reportados por Medina en 2009 Los resultados experimentales obtenidos en este trabajo del Factor U, se compararon con las ventanas de operación corrediza, reportados por Medina en el 2009; los cuales se obtuvieron mediante simulaciones efectuadas en el programa THERM. La Figura 4.17 presenta un comparativo de estos resultados donde se observa que hay diferencias entre el Factor U obtenido del estudio teórico y del trabajo experimental para cada tipo de ventana; se tiene que para la ventana de aluminio existe una diferencia del 20.7%, para la ventana de fierro la diferencia porcentual es de 3.6%, para la ventana de madera 20.8% y para la de PVC 17.3%. Posiblemente, estas diferencias se deben a los coeficientes convectivos que se utilizaron en la simulación. Resultados Capítulo IV " # $ % ! 4.17. Comparación de los resultados teóricos reportados con las obtenidas en el presente trabajo De acuerdo a los resultados experimentales, los factores U de la ventana de fierro, de la ventana de madera y la de ventana de PVC, que fueron reportados por Medina en el 2009, son validos con el presente trabajo en un intervalo de ±20% con excepción de la ventana de marco de aluminio que tiene un 26% de diferencia. La ventana de aluminio, en el trabajo realizado por Medina en el 2009, presenta un factor U menor que el de la ventana de fierro y esto se debe a que el flujo de calor que pasa a través de la ventana de aluminio es de 77.65 W y de 82.59 W para la ventana de fierro. Resultados Capítulo IV 4.2.7 Comparación de los resultados experimentales del Factor U del presente trabajo con los reportados por Vicente en 2009 A continuación, se muestra un comparativo entre los resultados experimentales para clima cálido obtenidos por Vicente en 2009 y los del presente trabajo. En la Figura 4.18 se muestran la variación del Factor U para las cuatro ventanas con diferentes marcos, aluminio, fierro, madera y PVC; se observa de los resultados obtenidos la ventana de aluminio presenta una diferencia de 3.3%, la ventana de fierro de 18.6%, para la ventana de madera una diferencia de 15.8% y la ventana de PVC no presenta diferencia. Esto se debe a que se manejó una diferencia de temperatura de aproximadamente 11°C, en los estudios realizados. También, se puede observar que la curva de Vicente es mayor que la de Jiménez y posiblemente se debió a que en el trabajo de Vicente se manejó flujos de calor de entrada de alrededor de 140W. & ' ( # ! Figura4.18. Comparación de los resultados reportados por Vicente 2009 con los obtenidos en el presente trabajo Conclusiones y Recomendaciones Capítulo V Capítulo V Conclusiones y Recomendaciones En este capítulo se presentan las conclusiones, así mismo, se plantean recomendaciones para continuar con la línea de investigación de este trabajo. Conclusiones y Recomendaciones Capítulo V 5.1 Conclusiones Se realizó la evaluación experimental del coeficiente global de transferencia de calor o factor U de cuatro ventanas con diferentes marcos representativas de México utilizando un aparato tipo Hot Box bajo las condiciones de prueba de clima frío en la República Mexicana. Las cuatro ventanas tienen marcos de aluminio, fierro, madera y PVC con un vidrio claro simple de 6 mm. Se caracterizó la cámara de medición del aparato tipo Hot Box y se obtuvo un factor de pérdidas Upérd de 1.0±0.2 W/m2°C. Este valor es similar al reportado en Vicente (2009), el cual habla de la buena funcionalidad del aparato y que a pesar del tiempo se ha mantenido en buen estado. También se realizó la caracterización del panel de pruebas utilizando una muestra de referencia hecha de una placa de poliestireno extruido de 0.6 x 0.6 m obteniendo un factor Upanel de 0.6±0.2 W/m2°C; con este resultado se concluye que el panel de pruebas permite un flujo de calor mínimo entre la cámara de medición y de ambiente. El factor U calculado para los cuatro tipos de ventanas resultó de las siguiente manera: para la ventana de aluminio se obtuvo un factor UAl de 5.9± 0.9 W/m2°C, la ventana de fierro un factor UFe de 4.8± 1.0 W/m2°C, la ventana de madera un factor UMad de 3.2± 0.8 W/m2°C y la ventana de PVC un factor UPVC de 2.2± 0.9 W/m2°C. La ventana de PVC proporciona el mejor aislamiento, de hasta un 63.6% con respecto a la ventana de aluminio. También, se observó un buen aislamiento de la ventana de madera de hasta 45.8% con respecto a la ventana de aluminio. Entre la ventana de madera y la de PVC existe una diferencia de hasta un 32.8% de aislamiento, siendo la de PVC mejor aislante. Conclusiones y Recomendaciones Capítulo V Cuando se compararon los resultados experimentales del factor U con el estudio teórico reportado por Medina en el 2009, se concluye que los resultados teóricos del factor U para la ventana de fierro, madera y PVC se validan. Al comparar los resultados experimentales reportados por Vicente en el 2009 y los del presente trabajo, se llegó a la conclusión que en ambos trabajos se obtuvieron resultados cercanos, debido a que manejó una diferencia de temperatura de aproximadamente 11°C y utilizaron las mismas muestras. 5.2 Recomendaciones Para la metodología de la caracterización, se recomienda realizar mediciones cuando la temperatura del laboratorio sea similar a la temperatura de la cámara de medición, esto para que las pérdidas por cámara de medición sean mínimas o nulas. De otro modo, sería conveniente utilizar una cámara de guarda. 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 con vidrio doble o vidrios con película. Realizar la caracterización de las ventanas considerando el coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC). En este caso será necesario utilizar otro tipo de metodología y equipo para completar la información con la que se cuenta. Bibliografía Bibliografía ASTM C1199.2000. “Standard Test Method for Measuring the Steady-State Thermal Transmittance of Fenestration Systems Using Hot Box Methods”. ASTM C518. 2002. “Standard Test Method for Steady-State Thermal Transmission Properties by Means of the Heat Flow Meter Apparatus” ASTM C1363. 2005. “Standard Test Method for Thermal Performance of Building Materials and Envelope Assemblies by Means of Hot Box Apparatus”. Álvarez G., Palacios M. J., Flores J. J. 2000. A test method to evaluate the thermal performance of window glazings. Applied Thermal Engineering, Vol. 20, págs. 803812. Anci M., Karabay H. 2010. Determination of optimum thickness of double-glazed windows for the climatic regions of Turkey. Energy and Buildings. Vol. 42, págs. 1773-1778. Appelfeld D., Hansen C. S., Svendsen S. 2010. Development of a slim window frame made of glass fibre reinforced polyester. Energy and Buildings. Vol. 42, págs. 19181925. Arasteh D., Griffith B. and LaBerge P. 1994. Integrated Window Systems: an Advanced Energy-Efficient Residential Fenestration Product. 19th National Passive Solar Conference, American Solar Energy Society, Inc. June 25-30. Arasteh D., Selkowitz S., Apte J. 2006. Zero energy windows. Lawrence Berkeley National Laboratory. eScholarship Repository, University of California.Paper: LBNL60049. Asdrubali F. and Baldinelli G. 2011. Thermal transmittrance measurements with the hot box method: Calibration, experimental procedures, and uncertainty analyses of three different aprproaches. Energy and Buildings. Vol. 43, págs. 1618-1626. Bibliografía Banda Martínez J. G. 2006. Evaluación de coeficientes locales de transferencia de calor en ventanas midiendo perfiles de temperatura en la capa límite. Tesis de maestría, CENIDET-DGEST-SEP, México. BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML. 1995. “Guide to the Expresion of Uncertainty in Measurement”. Chow T., Li C., Lin Z. 2010. Innovative solar windows for cooling-demand climate. Solar Energy Materials & Solar Cells. Vol. 94, págs. 212-220. Fang Xiande. 2001. A study of the U-factor of a window with a cloth curtain. Applied Thermal Engineering. Vol. 21, págs. 549-558. Fang Y., Eames P. C., Norton B., Hyde T. J. 2006. Experimental validation of a numerical model for heat transfer in vacuum glazing. Solar Energy. Vol. 80, págs. 564577. Fang Y., Eames P. C., Norton B., Hyde T. J., Zhao J., Wang J. y Huang Y. 2007. Low emittance coatings and the thermal performance of vacuum glazing. Solar Energy. Vol. 81, págs. 8-12. Fissore A., Fonseca N. 2007. Measurement results and experimental analysis study of the thermal balance of a window. Building and Environment. Vol. 42, págs. 35703581. Incropera Frank P., DeWitt David P.; Fundamentos de Transferencia de Calor; editorial Prentice Hall; México 1999. IPCC (Inter-Govermmental Panel on Climate Change) 2007. Contribution of Working Groups I, II, and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Geneva, Switzerland. ISO 15099. 2003. “Thermal performance of windows, doors and shading devices.” Gustavsen, A. 2001. Heat transfer in window frames with internal cavities. PhD Thesis. Department of Building and Construction Engineering, Norwegian University of Science and Technology. Gustavsen A., Arasteh D., Kohler C., Curcija D. 2005. Two-dimensional Conduction and CFD Simulations of Heat Transfer in Horizontal Window Frame Cavities. ASHRAE Transactions Vol. 111(1), 587-598. Bibliografía Klems Joseph H. 1999. U-values of flat and domend skylights. Lawrence Berkeley National Laboratory. eScholarship Repository, University of California. Paper: LBNL44422. Kohler C., Goudey H., Arasteh D. 2004. A first-generation prototype dynamic residential window. Lawrence Berkeley National Laboratory. eScholarship Repository, University of California.Paper: LBNL-56075. Macias Melo, E. V. 2008. Implementación de Experimentos para Calibración de Termopares Mediante Comparación con PTR. Tesis de Maestría, CENIDET-DGESTSEP, México. Medina Agreda I. 2009. Estudios de transmisión de calor en marcos de ventanas de edificios diseñados en México. Tesis de maestría, CENIDET-DGEST-SEP, México. NFRC 101. 2001. “Procedure for Determining Thermo-Physical Properties of Materials for Use in NFRC-Approved Software Programs”: SENER. Sistema de Información Energética. 2010 Svendsen S., Laustsen J., Kragh J. 2005. Linear thermal transmittance of the assembly of the glazing and the frame in windows. Nordic Symposium on Building Physics, Raykjavik, Iceland, págs. 995-1002. Vicente López J. A. 2009. Evaluación del funcionamiento térmico de ventanas mexicanas mediante una cámara de ambiente controlado. Tesis de maestría, CENIDET-DGEST-SEP, México. Anexo 1 Anexo 1 Cálculo de la Incertidumbre Anexo 1 A1.1 Incertidumbre de la caracterización de las paredes de la cámara de medición Cuando se obtiene un valor de una magnitud a partir de una medición se obtiene siempre sólo una aproximación a su valor verdadero, es por esto que es necesario calcular la incertidumbre, ya que con esta se conoce el intervalo o la zona de valores entre los que se encuentra el valor verdadero del valor calculado. De acuerdo con la GUM (Guide to the Expresion of Uncertainty in Measurement) la incertidumbre estándar combinada se calcula con la siguiente expresión: ! " %& ' #$ ( ) * + ,( # -* % . (A1.1) donde: /0 #$ 1 ( ) / (A1.1b) #$ 1 ( ) / ,( # 2 (A1.1c) /1 ,( #$ ) # (A1.1a) 2 1 ( ) / ,( # 2 / #$ 1 ( 31 /1 (A1.1d) 1 ( ) / ,( # 2 3 ( # #$ #$ #$ ,( ( )/ )/ #$ 1 ( ,( / ,( )/ / # ,( / # 2 # 2 2 2 (A1.1e) (A1.1f) 23 3 #$ 1 ( ) / ,( # 2 (A1.1g) (A1.1h) Anexo 1 A1.2 Incertidumbre de la caracterización del panel de pruebas Se utilizó la siguiente expresión para el cálculo de la incertidumbre de la caracterización del panel de pruebas: (6#7 ,( # (6#7 (6#7 -* % ! " (6#7 *4%5 *4%5 ' (6#7 (6#7 " (6#7 #$ (6#7 * + ( ) " ' (6#7 (6#7 ,( ) %& ' (6#7 -* + . (A1.2) donde: /0 1 (6#7 ,( # / ,( ) 2 (6#7 (6#7 / #$ 1 ,( # / ( ) 2 (6#7 1 ,( # / ,( ) 2 / (6#7 /8 #$ ( ) ,( # (6#7 ( ) / #$ ,( ) 3 (6#7 1 ,( # / ,( ) 2 / #$ (6#7 1 ,( # / ,( ) 2 / (6#7 / (6#7 ,( ) (A1.2c) (6#7 1 ,( # (6#7 (6#7 (A1.2b) 1 ,( # / ( ) 2 / ,( ) 2 (6#7 #$ (A1.2a) (6#7 (6#7 3 #$ ( (6#7 / #$ ,( # 9 3 (6#7 1 ,( # / ,( ) 2 ) 9 : (A1.2d) (A1.2e) (A1.2f) (A1.2g) (A1.2h) (A1.2i) Anexo 1 A1.3 Incertidumbre para la caracterización de las ventanas Para cada una de las evaluaciones de las ventanas se determina la incertidumbre mediante la siguiente ecuación: " < ; < < < " * + ( ) . ; 0= ' < " *4%5 ' < (6#7 < #$ " %& ' ,( *4%5 ' < (6#7 < -* % # < ,( ) -* + donde: /0 1 < ,( # / ,( ) 2 < / #$ 1 ,( # / ( ) 2 < 1 ,( # / ,( ) 2 < / < #$ < ,( # < ( ) < / (6#7 < ) : / #$ (6#7 < 9 < 1 ,( # / ,( ) 2 / (6#7 < /8 #$ ( ) / #$ ,( ) 1 ,( # / ,( ) 23 < < (6#7 ,( 1 ,( # / ( ) 2 < 1 ,( # / ,( ) 2 # < < #$ ( ) / #$ ,( ) 1 ,( # / ,( ) 23 < #$ ( ) / #$ ,( # 9 9 ,( ) (6#7 (6#7 / ,( 1 ,( # / ,( ) 23 < # (6#7 (6#7 9 Anexo 1 ! "#$ VI Upérd Datos 31.66 1 Aef 5.41 Tcamed 26.23 Tamb 24.85 Upanel 0.6 Apanel 1.4 Tcamb 13.25 Av 0.36 > ;= ;= > ; > ; ;= ;= -* % * + *4%5 *4%5 -* + ; 0.214 ; > %& Valor ;= ; Incertidumbre 0.001125 0.18 -1.5977 %& -0.2953 -* % -1.5566 * + 1.1577 *4%5 -3.888 *4%5 -1.666 -* + 0.3988 ; -7.9009 ?@A BC D 0.00000025 0.28 0.24 0.168 0.00000025 0.15 0.00000025