Propiedades básicas de los vidrios

El hecho de que los vidrios sean transparentes en mayor o menor medida a la radiación solar los distingue claramente de los materiales opacos, y hace necesario establecer conceptos específicos para medir su desempeño.

Cuando la radiación solar incide sobre una hoja de vidrio suceden varios fenómenos característicos. Una parte de la radiación solar es reflejada instantáneamente, de manera que no atraviesa el vidrio ni lo calienta. Otra parte de la radiación solar penetra el vidrio pero es absorbida internamente, propiciando su calentamiento. Finalmente, la parte de la radiación que no es reflejada ni absorbida atraviesa el vidrio y es transmitida directamente al espacio interior.

Es importante señalar que en realidad los procesos descritos arriba resultan un poco más complejos:

  • La radiación solar no solo es reflejada por la superficie exterior del vidrio. La superficie interior también refleja una parte de la radiación que logra atravesarlo (aquella que no ha sido reflejada por la superficie exterior ni absorbida), dando lugar a una serie de inter-reflexiones. En cada proceso de inter-reflexión una parte de la radiación es absorbida.
  • La energía térmica generada por los procesos de absorción no permanece en el vidrio, sino que posteriormente es re-irradiada como radiación de onda larga. Este proceso se da en ambas direcciones, es decir hacia el exterior y el interior, con una proporción que dependerá de las características específicas del vidrio.
  • Como sabemos, la radiación solar que llega a la superficie terrestre está conformada por diversos rangos del espectro electromagnético. Y los vidrios suelen responder de distinta manera a cada uno de esos rangos. Por ejemplo, son más o menos transparentes a buena parte de las longitudes de onda de la porción ultravioleta y a toda la porción visible. También lo son a los infrarrojos cercanos, característicos de objetos con temperatura muy elevada. En cambio son opacos a los infrarrojos lejanos, característicos de objetos a temperaturas terrestres. Esto último genera lo que se conoce como efecto invernadero.

Estos tres componentes de la radiación (reflejada, absorbida y transmitida) determinan gran parte de los parámetros asociados al desempeño energético de los diferentes tipos de vidrio. La modificación de la proporción entre ellos, considerando las diferentes longitudes de onda de la radiación solar, ha sido objeto de investigaciones exhaustivas para mejorar el desempeño térmico, lumínico y energético de los vidrios.

De acuerdo con los conceptos explicados arriba, para cuantificar los flujos de radiación y calor a través de los vidrios se han establecido las propiedades básicas que se describen a continuación.

Propiedades térmicas

En la mayoría de los ámbitos de análisis relacionados con los vidrios, la única propiedad térmica considerada es la conductividad (k). Junto con el espesor del vidrio, este parámetro se emplea para calcular el coeficiente global de transmisión de calor (valor U) de los sistemas de acristalamiento.

Propiedades como la densidad y el calor específico no se suelen tomar en cuenta, ya que la capacidad térmica de los vidrios, dado su reducido espesor, se considera despreciable.

Propiedades ópticas

Las propiedades ópticas expresan el comportamiento de los vidrios ante la luz y la radiación. Entre las más importantes se encuentran la transmitancia, la reflectancia, la absortancia y la emisividad.

Transmitancia

La transmitancia es un valor que expresa la cantidad de radiación solar que puede atravesar un vidrio, comparada con la radiación solar que incide sobre él. En algunos ámbitos se indica como valor porcentual (0% a 100%), mientras que en otros se emplean valores fraccionales (0.0 a 1.0). Este valor se puede indicar para todo el espectro de radiación solar, o bien para rangos específicos del mismo:
Transmitancia solar – Considera el espectro completo de la radiación solar.
Transmitancia visible – Considera sólo la radiación solar en el rango correspondiente a la luz visible para el ojo humano.
Transmitancia ultravioleta – Considera sólo la radiación solar en el rango correspondiente a los ultravioleta.
Transmitancia infrarroja – Considera sólo la radiación solar en el rango correspondiente a los infrarrojos.

Si bien la transmitancia se puede establecer para cualquier ángulo de incidencia, lo más común es indicar valores para una incidencia normal, es decir, con los rayos solares perpendiculares a la superficie del vidrio.

Reflectancia

La reflectancia es un parámetro que indica la cantidad de radiación solar que es reflejada por un vidrio, comparada con la radiación solar que incide sobre él. En algunos ámbitos se indica como valor porcentual (0% a 100%), mientras que en otros se emplean valores fraccionales (0.0 a 1.0). Este valor se puede indicar para todo el espectro de radiación solar, o bien para rangos específicos del mismo:
Reflectancia solar – Considera el espectro completo de la radiación solar.
Reflectancia visible – Considera sólo la radiación solar en el rango correspondiente a la luz visible para el ojo humano.

En algunos ámbitos la reflectancia se indica tanto para la superficie frontal (exterior) como para la superficie posterior (interior) del vidrio. Esto generalmente se hace para posibilitar el cálculo de las inter-reflexiones, considerando que en determinados tipos de vidrio ambos valores pueden ser bastante diferentes entre sí.

Mientras más se desvíe de la normal el ángulo de incidencia de la radiación solar, mayor será la cantidad reflejada por el vidrio. Incluso los vidrios claros pueden reflejar más del 50% de la radiación solar cuando el ángulo de incidencia es de 70º (medido desde una línea perpendicular al vidrio). De cualquier manera, como en el caso de la transmitancia, los valores de reflectancia se suelen indicar para una incidencia normal.

Absortancia

La absortancia representa la cantidad de radiación solar que no es reflejada ni transmitida, sino absorbida por un vidrio, comparada con la radiación solar que incide sobre él. Se puede indicar como valor porcentual (0% a 100%), o bien como un valor fraccional (0.0 a 1.0). Sin embargo se trata de un parámetro que puede calcularse a partir de la reflectancia y la transmitancia de cada vidrio en particular:

Radiación absorbida = incidente – reflejada – transmitida

Emisividad (propiedades infrarrojas)

La emisividad representa la habilidad de un vidrio para emitir energía como radiación de onda larga (infrarrojos lejanos), expresando la proporción entre la energía emitida por dicho vidrio y la energía que emitiría un cuerpo negro ideal, dada la misma temperatura e igual superficie. Si asignamos al cuerpo negro ideal una emisividad de 100% (1.0), entonces cualquier vidrio tendrá una emisividad mayor a 0% (0.0) y menor a 100% (1.0).

Un vidrio claro estándar tiene una emisividad de 0.84, lo cual significa que emite el 84% de la energía posible para un cuerpo negro a su misma temperatura. Esto también significa que, de la radiación de onda larga incidente (la cual no se puede transmitir a través del vidrio), el 84% será absorbida y el 16% será reflejada.

Los valores de emisividad generalmente se dan tanto para la superficie exterior como para la superficie interior del vidrio, considerando que ambos valores pueden ser distintos, y resultan muy importantes para saber cómo re-irradiará al espacio la energía absorbida.

Datos espectrales

La International Glazing Database (IGDB) ofrece datos detallados del comportamiento de numerosos vidrios, existentes en el mercado, ante diferentes longitudes de onda del espectro de radiación solar. Estos datos, conocidos como espectrales, suelen abarcar longitudes de onda entre 0.1 y 4.0 micrones (con intervalos entre 0.005 y 0.5 micrones), e incluir para cada una de esas longitudes la transmitancia solar y la reflectancia solar frontal y posterior.

A continuación se muestra un ejemplo de datos espectrales de un vidrio particular, organizados en una tabla de valores separados por comas, con una línea por longitud de onda y cuatro columnas por línea (se incluyen sólo las primeras 5 y las últimas 5 líneas):

0.3, 0, 0.049, 0.046,
0.305, 0, 0.049, 0.045,
0.31, 0, 0.048, 0.045,
0.315, 0, 0.048, 0.044,
0.32, 0.001, 0.05, 0.045,
- - -
2.45, 0, 0.734, 0.053,
2.5, 0, 0.75, 0.042,
3, 0, 0.04, 0.04,
3.5, 0, 0.037, 0.037,
4, 0, 0.036, 0.036;

La primera columna indica la longitud de onda (micrón), la segunda la transmitancia solar, la tercera la reflectancia solar frontal y la cuarta la reflectancia solar posterior. Los datos organizados de esta manera son usados por diversos programas de diseño de sistemas de acristalamiento para calcular su desempeño energético y lumínico en forma muy precisa, entre los que se encuentran Optics 5, Window 5, y WIS. También se emplean en programas de análisis lumínico, como Radiance, y de análisis energético de edificios, como DesignBuilder y EnergyPlus.

Acerca de la IGDB

La International Glazing Database (IGDB) es una colección pública de datos detallados sobre una gran cantidad de vidrios producidos por fábricas de todo el mundo. Cada registro contiene datos espectrales ópticos detallados, datos térmicos y estructurales, así como una descripción del producto. Esa información es adecuada para diseñar sistemas de acristalamiento y para llevar a cabo cálculos precisos de su desempeño energético.

Esta base de datos es mantenida y resguardada por el Windows and Daylighting Group del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), con el soporte del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Diversos organismos efectúan la revisión técnica de los datos, entre los que se encuentran el mismo LBNL, la WinDat Network (Europa), la Japaness Glass Manufacturers Association (Asia) y el Australasian Window Council (Australia). Los diversos productores de vidrio, por su parte, son los encargados de medir y dar formato a los datos espectrales, así como proporcionar la información adicional de cada producto.

Nota: La información sobre la IGDB ha sido adaptada de: http://windows.lbl.gov/materials/IGDB

 

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