En los últimos tiempos, los incendios en varias naves industriales de distintos puntos de nuestra geografía han hecho saltar las alarmas. ¿Cuentan las instalaciones industriales con sistemas de protección adaptados a sus necesidades? ¿Se contemplan todos los aspectos de la edificación a la hora de diseñar un plan contra incendios? La consideración de los materiales de construcción y sus propiedades térmicas es fundamental para la seguridad y la eficiencia energética de cualquier edificación.
Definición del Coeficiente de Conductividad Térmica (λ)
La conductividad térmica es la medida de la capacidad de un material para conducir el calor. Cada material tiene un coeficiente único que determina su capacidad para conducir el calor. Se expresa en vatios por metro-kelvin (W/m·K) y varía entre diferentes materiales.
El Coeficiente de Conductividad Térmica se simboliza con la letra λ. Es un coeficiente que expresa la magnitud o flujo de calor que pasa a través de la unidad de superficie de una muestra de material, de extensión infinita, caras planoparalelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se mide en vatio / metro × kelvin (W/(m·K)). De forma simplificada: λ indica cuánta energía térmica “se escapa” por cada metro de material cuando existe 1 K (≈1 ºC) de diferencia entre interior y exterior.
El coeficiente de conductividad térmica varía según las condiciones del material (humedad que contiene, temperatura a la que se hace la medición), por lo que se fijan condiciones para hacerlo, generalmente para material seco y 15ºC (temperatura media de trabajo de los materiales de construcción) y en otras ocasiones, 300 K (26,84 ºC).
Resistencia Térmica (R) y Transmitancia Térmica (U)
Ligado a la conductividad térmica, encontramos la propiedad inversa: la resistencia térmica, es decir, la capacidad de un material para generar oposición al transporte del calor.
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El coeficiente total de transferencia de calor, o valor U, se refiere a qué tan bien se conduce el calor a través de una serie de medios resistentes. El coeficiente total de transferencia de calor está influenciado por el espesor y la conductividad térmica de los materiales a través de los cuales se transfiere el calor. Cuanto más grande el coeficiente, más fácil se transfiere el calor desde su fuente hacia el producto que está siendo calentado. Asumiendo que la superficie de transferencia de calor y la diferencia de temperatura permanecen sin cambios, cuanto mayor sea el valor U, mayor será la tasa de transferencia de calor.
En un edificio, la mayor parte de las pérdidas y ganancias de calor se produce a través de su envolvente: muros, cubiertas, suelos y, especialmente, huecos acristalados. Para elementos compuestos como una ventana no basta con conocer el λ de cada material por separado; se utiliza el valor U (transmitancia térmica) del conjunto: marco + vidrio + intercalario + cámara + instalación. Es la “versión aplicada” de la conductividad: mide cuánta energía atraviesa 1 m² de ventana por cada grado de diferencia.
Cálculo del Factor U (Transmitancia Térmica)
¿Cuánto calor se escapa por las paredes y cuánto por el tejado o las ventanas? No hace falta que nos basemos en estimaciones. Para calcular con precisión las pérdidas de calor de cada componente y material de la envolvente del edificio, podemos utilizar el coeficiente de conductividad térmica (el llamado factor U). La definición más simple del coeficiente de conductividad térmica (factor U) es la siguiente: es la cantidad de energía (expresada en vatios) que penetra a través de 1 m2 de la superficie de un componente de la envolvente del edificio cuando la diferencia de temperatura entre sus dos lados es de 1 kelvin (K).
Los componentes de la envolvente del edificio a los que se hace referencia en la definición son elementos del edificio que están en contacto con el aire exterior: paredes, techo, ventanas y puertas.
Los fabricantes de puertas y ventanas están obligados a declarar el coeficiente de conductividad térmica de sus productos. Pero, ¿qué ocurre con otros componentes de la envolvente, como las paredes o el tejado, que pueden estar construidos con muchos tipos de materiales y, además, diferir en espesor? Puede calcular el valor de conductividad térmica usted mismo. Solo necesitará un parámetro clave: el índice λ (lambda) para el tipo particular de material de construcción. Esta información siempre se puede encontrar en la documentación proporcionada por el fabricante.
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Aparte de este valor, para calcular el coeficiente de conductividad térmica (U), también debe conocer el espesor del material. Esto le permitirá calcular la resistencia térmica (R). Esto se hace según la siguiente fórmula:
R = d/λ
donde d es el espesor expresado en metros y λ es el coeficiente de conductividad térmica expresado en W/K (vatios/kelvin).
¿Cómo se relaciona la resistencia térmica con el coeficiente de conductividad térmica? Este último es el inverso del primero. Entonces es suficiente hacer un cálculo simple: dividir 1 por el valor de la resistencia térmica según la fórmula:
U = 1/R
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Conductividad Térmica de Diferentes Materiales
A continuación, se expresan los valores de conductividad térmica de algunos materiales:
| MATERIALES | CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (W·m-1·K-1) |
|---|---|
| Acero | 68-98 |
| Agua | 0,98 |
| Aire | 0,01 |
| Aluminio | 209,3 |
| Amianto | 0,04 |
| Cinc | 106-140 |
| Corcho | 0,04-0,30 |
| Estaño | 64,0 |
| Fibra de vidrio | 0,03-0,07 |
| Ladrillo común | 0,80 |
| Ladrillo refractario | 0,47-1,05 |
| Latón | 1,14 |
| Madera | 0,13 |
| Plomo | 35,0 |
| Poliuretano | 0,018-0,025 |
| Vidrio | 1,0 |
El valor de 0,02 W/mºK del poliuretano, se puede tomar como una cifra nominal, lo cual hace de este uno de los mejores aislantes. Su cálculo para el freón lleno de poliuretano de densidad 1,99 lb/pi3 a 20°C da una conductividad térmica de 0,022 W/mºK. El cálculo para el CO2 lleno de poliuretano de densidad 2,00 lb/pi3 da 0,035 W/mºK.
Aplicaciones Prácticas y Mejora de la Eficiencia
Estos cálculos son muy útiles en la práctica. Sobre todo, permiten comparar los parámetros del edificio con los estándares establecidos en las condiciones técnicas que deben cumplir los edificios y su ubicación. Debemos saber que estos valores (aplicables a los inmuebles nuevos) son cada vez más restrictivos. Debemos tener en cuenta que los valores de conductividad térmica requeridos seguirán cambiando en el futuro y se irán reduciendo gradualmente.
No solo debemos conocer el valor de conductividad térmica de cada elemento del edificio para asegurarnos de que nuestro diseño cumple con la normativa. Existe otra razón por la que debemos intentar reducir la pérdida de calor y proporcionar un buen aislamiento. Si reducimos el valor U, el edificio puede volverse más eficiente energéticamente y, por lo tanto, más ecológico y menos costoso de mantener. Un techo o paredes con un espesor adecuado, hechas de materiales con buenos parámetros, protegerán su hogar contra el frío y evitarán que el aire caliente salga al exterior.
Los parámetros relacionados con la conductividad térmica siempre se pueden mejorar, incluso si el edificio es antiguo y está muy dañado. Esto no implica necesariamente una reforma importante o una intervención en su estructura. La forma más sencilla de reducir rápidamente la conductividad térmica es sellar los puentes térmicos, es decir, las zonas por las que se escapa el aire caliente al exterior del edificio.
Aislamiento con Espuma de PUR y Paneles PIR
El aislamiento por pulverización con espuma de PUR produce excelentes resultados. El poliuretano penetra fácilmente incluso en los huecos más pequeños y de difícil acceso, además de ser resistente a la humedad, el moho y los hongos. La espuma de PUR se puede utilizar como aislamiento térmico de tejados, cielorrasos, cimientos o paredes exteriores en edificios nuevos, así como para aislar adicionalmente o rehabilitar térmicamente propiedades antiguas.
Para mejorar el coeficiente de conductividad térmica en superficies más grandes, se deben utilizar paneles de aislamiento térmico PIR, hechos de poliisocianurato. Se pueden cortar a medida rápidamente e instalar en una pared, techo, tejado o suelo. Las espumas PIR muestran un alto índice de aislamiento térmico. En este sentido, superan a otros materiales populares utilizados para el aislamiento de edificios: el poliestireno o la lana mineral. Además, son más finos; la capa no necesita ser tan gruesa para proporcionar un aislamiento eficiente de las paredes y otros elementos. Gracias a su resistencia al fuego y a los daños mecánicos, los paneles aislantes PIR se pueden utilizar no solo en edificios residenciales, sino también en entornos más exigentes, como naves de producción o almacenes.
Debemos recordar que un aislamiento bien realizado reduce la cantidad de calor que se escapa al exterior, lo que puede traducirse en ahorro. Por eso, debemos invertir en materiales de alta calidad que garanticen propiedades adecuadas, una larga vida útil y seguridad. El Grupo PCC es uno de los proveedores más conocidos de paneles PIR, espumas de PUR y otros materiales de construcción o aislamiento térmico.
Consideraciones Adicionales en la Transferencia de Calor
Las incrustaciones en la superficie de la pared del material pueden representar una barrera adicional a la transferencia de calor. Este problema puede ocurrir por múltiples razones, tanto del lado del medio de calentamiento como del lado del producto. Por ejemplo, la presión del vapor a veces es aumentada para crear la presión necesaria para empujar el condensado a través de la válvula de control de salida en un recipiente nivelador. Sin embargo, con un aumento de la presión dentro del intercambiador de calor, la temperatura del vapor aumenta como consecuencia, y este calor excesivo puede causar un aumento de incrustaciones del lado del producto.
Para ciertos equipos de intercambio de calor como tanques enchaquetados de acero al carbono, cambiando la fuente de calor de agua caliente hacia vapor, puede mejorar potencialmente el valor de U y significativamente la transferencia de calor si el material de la pared es altamente conductivo. No obstante, algunos procesos pueden requerir determinado material de pared, como revestimiento de vidrio, para prevenir la reactividad con el producto.
Importancia para la Seguridad contra Incendios
A la hora de construir un edificio, es fundamental considerar los materiales utilizados. Revestir suelos, paredes y techos con el material adecuado puede ser determinante en caso de incendio. Evaluar la resistencia al fuego de los materiales de construcción es esencial para garantizar la seguridad. Por tanto, hay que apostar por sistemas de protección contra incendios personalizados y pensados para cada tipo de construcción: no todos los espacios están cortados con el mismo patrón.
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