Tasa de flujo de calor a través de un material o ensamblaje

El valor-U mide cuánto calor pasa a través de un componente de un edificio por unidad de área, por grado de diferencia de temperatura. Se mide en W/(m²·K) o BTU/(h·ft²·°F). Un valor-U más bajo = mejor aislamiento. Las ventanas, paredes y techos tienen calificaciones de valor-U.

Ejemplo: Una ventana con U=0.30 W/(m²·K) pierde 30 vatios por metro cuadrado por cada 1°C de diferencia de temperatura. U=0.20 es un 33% mejor aislamiento.

Capacidad de un material para resistir el flujo de calor

El valor-R es el recíproco del valor-U (R = 1/U). Un valor-R más alto = mejor aislamiento. Se mide en m²·K/W (SI) o ft²·°F·h/BTU (EE. UU.). Los códigos de construcción especifican valores-R mínimos para paredes, techos y pisos según las zonas climáticas.

Ejemplo: El aislante de fibra de vidrio R-19 proporciona una resistencia de 19 ft²·°F·h/BTU. R-38 en el ático es dos veces más efectivo que R-19.

Propiedad del material: qué tan bien conduce el calor

La conductividad térmica (λ o k) es una propiedad intrínseca del material que se mide en W/(m·K). Un valor-k bajo = buen aislante (espuma, fibra de vidrio). Un valor-k alto = buen conductor (cobre, aluminio). Se utiliza para calcular el valor-R: R = espesor / k.

Ejemplo: Fibra de vidrio k=0.04 W/(m·K), acero k=50 W/(m·K). ¡El acero conduce el calor 1250 veces más rápido que la fibra de vidrio!

Números más altos = mejor aislamiento

El valor-R es intuitivo: R-30 es mejor que R-15. Se utiliza en América del Norte para productos de aislamiento. Los valores se suman en serie: las capas se apilan. Es común en la construcción residencial, los códigos de construcción y el etiquetado de productos.

• Unidades: ft²·°F·h/BTU (EE. UU.) o m²·K/W (SI)
• Rango: R-3 (ventana de un solo panel) a R-60 (aislamiento de ático)
• Ejemplo de pared: cavidad R-13 + espuma R-5 = R-18 total
• Regla general: el valor-R por pulgada varía según el material (R-3.5/pulgada para fibra de vidrio)
• Objetivos típicos: paredes de R-13 a R-21, techos de R-38 a R-60
• Marketing: Los productos se anuncian por su valor-R ('aislantes R-19')

Números más bajos = mejor aislamiento

El valor-U es contraintuitivo: U-0.20 es mejor que U-0.40. Se utiliza a nivel mundial, especialmente para ventanas y cálculos de edificios completos. No se suma de forma sencilla, requiere matemáticas recíprocas. Es común en la construcción comercial y los códigos de energía.

• Unidades: W/(m²·K) o BTU/(h·ft²·°F)
• Rango: U-0.10 (ventana de triple panel) a U-5.0 (ventana de un solo panel)
• Ejemplo de ventana: U-0.30 es de alto rendimiento, U-0.20 es de casa pasiva
• Cálculo: Pérdida de calor = U × Área × ΔT
• Objetivos típicos: ventanas U-0.30, paredes U-0.20 (comercial)
• Estándares: ASHRAE, IECC utilizan valores-U para el modelado energético

Flujo de calor a través de materiales sólidos

El calor se transfiere por contacto directo entre moléculas. Los metales conducen el calor rápidamente, mientras que los materiales aislantes lo resisten. Se rige por la Ley de Fourier: q = k·A·ΔT/d. Es dominante en paredes, techos y pisos.

• Montantes metálicos creando puentes térmicos (aumento del 25% en la pérdida de calor)
• El mango caliente de una sartén conduciendo el calor de la estufa
• Flujo de calor a través de una pared desde el interior cálido al exterior frío
• El aislamiento reduce la transferencia de calor por conducción

Transferencia de calor mediante el movimiento de fluidos/aire

El calor se mueve con el flujo de aire o líquido. Convección natural (el aire caliente asciende) y convección forzada (ventiladores, viento). Las fugas de aire causan grandes pérdidas de calor. El sellado de aire detiene la convección; el aislamiento detiene la conducción.

• Corrientes de aire a través de huecos y grietas (infiltración/exfiltración)
• El aire caliente escapa por el ático (efecto chimenea)
• Distribución de calefacción/refrigeración por aire forzado
• El viento aumenta la pérdida de calor a través de las paredes

Transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas

Todos los objetos emiten radiación térmica. Los objetos calientes radian más. No requiere contacto ni aire. Las barreras radiantes (lámina reflectante) bloquean más del 90% del calor radiante. Es un factor importante en áticos y ventanas.

• La luz solar calienta a través de las ventanas (ganancia solar)
• Una barrera radiante en el ático que refleja el calor
• Recubrimientos de baja emisividad (Low-E) en ventanas que reducen el calor radiante
• Calor infrarrojo de un techo caliente que irradia hacia el piso del ático

Propietarios y constructores utilizan diariamente los valores-R y valores-U:

• Selección de aislamiento: costo/beneficio de aislantes de pared R-19 vs R-21
• Reemplazo de ventanas: ventanas de triple panel U-0.30 vs de doble panel U-0.50
• Auditorías energéticas: la termografía encuentra deficiencias en el valor-R
• Cumplimiento del código: cumplir con los mínimos locales de valor-R
• Planificación de rehabilitación: agregar R-30 a un ático con R-19 (reducción del 58% en la pérdida de calor)
• Reembolsos de servicios públicos: muchos requieren un mínimo de R-38 para incentivos

Los valores-U determinan las cargas de calefacción y refrigeración:

• Cálculo de pérdida de calor: Q = U × A × ΔT (Manual J)
• Dimensionamiento de equipos: un mejor aislamiento requiere una unidad de HVAC más pequeña
• Modelado energético: BEopt, EnergyPlus utilizan valores-U
• Aislamiento de conductos: mínimo R-6 en espacios no acondicionados
• Análisis de retorno de la inversión: cálculos de ROI para la mejora del aislamiento
• Confort: valores-U más bajos reducen el efecto de pared/ventana fría

Los grandes edificios requieren cálculos térmicos precisos:

• Cumplimiento de ASHRAE 90.1: tablas prescriptivas de valor-U
• Certificación LEED: superar el código en un 10-40%
• Sistemas de muro cortina: ensamblajes de U-0.25 a U-0.30
• Almacenamiento en frío: paredes de R-30 a R-40, techos de R-50
• Análisis de costos de energía: más de $100,000 de ahorro anual con una mejor envolvente
• Puentes térmicos: análisis de conexiones de acero con FEA

Los edificios ultraeficientes llevan al límite el rendimiento térmico:

• Ventanas: U-0.14 a U-0.18 (triple panel, con relleno de criptón)
• Paredes: R-40 a R-60 (más de 12 pulgadas de espuma o celulosa de alta densidad)
• Cimientos: R-20 a R-30 de aislamiento exterior continuo
• Hermeticidad al aire: 0.6 ACH50 o inferior (reducción del 99% en comparación con el estándar)
• Ventilador con recuperación de calor: 90%+ de eficiencia
• Total: reducción del 80-90% en calefacción/refrigeración en comparación con el mínimo del código

• Primero, sellar el aire: inversión de $500, ahorro de energía del 20% (mejor ROI que el aislamiento)
• Aislamiento del ático: de R-19 a R-38 se amortiza en 3-5 años
• Reemplazo de ventanas: las ventanas U-0.30 reducen la pérdida de calor en un 40% en comparación con U-0.50
• Aislamiento del sótano: R-10 ahorra un 10-15% en costos de calefacción
• Reemplazo de puerta: puerta de acero aislada (U-0.15) frente a una de madera hueca (U-0.50)

• Cámara infrarroja: revela la falta de aislamiento y las fugas de aire
• Prueba de la puerta de soplador (Blower door test): cuantifica las fugas de aire (métrica ACH50)
• Prueba de tacto: las paredes/techos fríos indican un valor-R bajo
• Represas de hielo: señal de aislamiento inadecuado en el ático (el calor derrite la nieve)
• Condensación: indica puentes térmicos o fugas de aire

• Climas fríos: maximizar el valor-R, minimizar el valor-U (prioridad al aislamiento)
• Climas cálidos: barreras radiantes en el ático, ventanas de baja emisividad bloquean la ganancia solar
• Climas mixtos: equilibrar el aislamiento con el sombreado y la ventilación
• Climas húmedos: barreras de vapor en el lado cálido, prevenir la condensación
• Climas secos: enfocarse en el sellado de aire (mayor impacto que en regiones húmedas)

• Mejor ROI: Sellado de aire (20:1), aislamiento del ático (5:1), sellado de conductos (4:1)
• ROI moderado: Aislamiento de paredes (3:1), aislamiento del sótano (3:1)
• A largo plazo: Reemplazo de ventanas (2:1 durante 15-20 años)
• Considere: los reembolsos de servicios públicos pueden mejorar el ROI en un 20-50%
• Amortización: Amortización simple = costo / ahorros anuales

Los iglús mantienen entre 4 y 16°C en el interior cuando afuera hace -40°C, utilizando solo nieve compactada (R-1 por pulgada). La forma de cúpula minimiza la superficie, y un pequeño túnel de entrada bloquea el viento. Las bolsas de aire en la nieve proporcionan aislamiento, una prueba de que el aire atrapado es el secreto de todo aislamiento.

Las losetas térmicas del transbordador espacial tenían una conductividad térmica tan baja (k=0.05) que podían estar a ~1100°C por un lado y ser tocables por el otro. Hechas de un 90% de sílice llena de aire, son el material aislante definitivo: R-50+ por pulgada a altas temperaturas.

Las casas anteriores a la década de 1940 a menudo no tienen aislamiento en las paredes, solo revestimiento de madera, montantes y yeso (R-4 total). Agregar aislamiento R-13 a R-19 reduce la pérdida de calor en un 70-80%. Muchas casas antiguas pierden más calor a través de las paredes que a través de áticos mal aislados.

El hielo tiene un k=2.2 W/(m·K), el vidrio es k=1.0. Pero el aire (k=0.026) atrapado en los cristales de hielo hace que la nieve/hielo sea un aislante decente. Paradójicamente, la nieve húmeda en los techos es mejor aislamiento (R-1.5/pulgada) que el hielo sólido (R-0.5/pulgada) debido a las bolsas de aire.

Una manta de fibra de vidrio con clasificación R-19 (5.5 pulgadas) comprimida a 3.5 pulgadas pierde el 45% de su valor-R (se convierte en R-10). Las bolsas de aire, no las fibras, proporcionan el aislamiento. Nunca comprima el aislamiento; si no cabe, use un material de mayor densidad.

El aerogel es un 99.8% de aire y tiene 15 Récords Guinness por aislamiento. Con R-10 por pulgada (frente a R-3.5 para la fibra de vidrio), es el aislante preferido de la NASA. Pero el costo ($20-40/pie cuadrado) lo limita a aplicaciones especializadas como los rovers de Marte y las mantas aislantes ultradelgadas.

El valor-R mide la resistencia al flujo de calor (más alto = mejor aislamiento). El valor-U mide la tasa de transmisión de calor (más bajo = mejor aislamiento). Son recíprocos matemáticos: U = 1/R. Ejemplo: aislamiento R-20 = U-0.05. Use el valor-R para productos de aislamiento, y el valor-U para ventanas y cálculos de ensamblajes completos.

Sí, pero con rendimientos decrecientes. Pasar de R-0 a R-19 reduce la pérdida de calor en un 95%. De R-19 a R-38 la reduce en otro 50%. De R-38 a R-57 la reduce solo en un 33%. Primero, selle el aire (mayor impacto que el aislamiento). Luego, agregue aislamiento donde el valor-R sea más bajo (generalmente en el ático). Verifique si hay aislamiento comprimido o húmedo; reemplazarlo es mejor que agregar más.

Por convención y complejidad. Las ventanas tienen múltiples mecanismos de transferencia de calor (conducción a través del vidrio, radiación, convección en los espacios de aire), lo que hace que el valor-U sea más práctico para la calificación del rendimiento general. Las paredes son más simples, principalmente conducción, por lo que el valor-R es intuitivo. Ambas métricas funcionan para cualquiera de los dos; es solo una preferencia de la industria.

¡Absolutamente! El valor-R resiste el flujo de calor en ambas direcciones. En verano, el aislamiento del ático R-30 mantiene el calor FUERA tan eficazmente como mantiene el calor DENTRO durante el invierno. Los climas cálidos se benefician de un alto valor-R + barreras radiantes + techos de colores claros. Concéntrese en el ático (mínimo R-38) y las paredes orientadas al oeste.

Primero el sellado de aire, luego el aislamiento. Las fugas de aire pueden evitar por completo el aislamiento, reduciendo un R-30 a un R-10 efectivo. Los estudios muestran que el sellado de aire proporciona un ROI 2-3 veces mayor en comparación con el aislamiento solo. Selle primero (masilla, burletes, espuma), luego aísle. Juntos reducen el consumo de energía en un 30-50%.

Divida 1 por el valor-R: U = 1/R. Ejemplo: pared R-20 = 1/20 = U-0.05 o 0.28 W/(m²·K). A la inversa: R = 1/U. Ejemplo: ventana U-0.30 = 1/0.30 = R-3.3. Nota: ¡las unidades importan! Los valores-R de EE. UU. necesitan factores de conversión para los valores-U del SI (multiplique por 5.678 para obtener W/(m²·K)).

El acero es 1250 veces más conductor que el aislamiento. Los montantes metálicos crean puentes térmicos: caminos conductores directos a través del ensamblaje de la pared. Una pared con aislamiento de cavidad R-19 y montantes de acero solo alcanza un R-7 efectivo (¡una reducción del 64%!). La solución: aislamiento continuo (planchas de espuma) sobre los montantes, o una estructura de madera + espuma exterior.

Depende de la zona climática (1-8) y del componente del edificio. Ejemplo: la Zona 5 (Chicago) requiere paredes R-20, techo R-49, sótano R-10. La Zona 3 (Atlanta) requiere paredes R-13, techo R-30. Consulte el código de construcción local o las tablas del IECC. Muchas jurisdicciones ahora requieren paredes R-20+ и áticos R-40+ incluso en climas moderados.