El aislamiento térmico de las

instalaciones

El aislamiento térmico para ahorro energético y control de la condensación

Manuel Navas Roldán (*)

Armacell Iberia S.L. El presente apartado analiza las ventajas de un buen aislamiento en Instalaciones de Refrigeración, Climatización, Agua Caliente Sanitaria y Calefacción, no solo como ahorro energético, sino para evitar la condensación y asegurar un buen comportamiento a través del tiempo de funcionamiento de la instalación (*)El ponente es Director Técnico de Armacell Iberia S.L. , Presidente del Comité Técnico de Normalización CTN 92 " Aislamiento" y representante en los comités europeos CEN TC 88 "Materiales Aislantes Térmicos" y CEN TC 89 " Cálculos de Transmisión Térmica".

REV OCT 2004

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1 INTRODUCCION Ante una nueva revisión del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, (RITE), analizaremos los cambios en cuanto a la determinación de espesores mínimos de aislamiento para asegurar un importante ahorro energético También intentaremos resaltar los requisitos a exigir al aislamiento térmico para complementar su función con otras características que mejoran su comportamiento. 2 FORMULAS DE REFERENCIA Partimos de las dos fórmulas esenciales que nos dan las pérdidas energéticas tanto en depósitos como en tuberías En superficies planas y conductos rectangulares Δθ Q= ------------------------ (1) (1/ hi)+( d/λ ) + (1/ he) y en superficies curvas

Δθ *Π ql = --------------------------------- ------------------- (2) 1 1 De 1 --------- + ------- ln ------ + -------- hi * Di 2*λ Di he * De Donde Q= Pérdidas energéticas en superficies planas W/m2

Δθ= Diferencia entre temperatura ambiente e interior ºC d = Espesor de aislamiento m λ = Coeficiente de conductividad W/(m.K) hi = Coeficiente superficial de transmisión de calor interior W/(m2.K) he = Coeficiente superficial de transmisión de calor exterior W/(m2.K) ql = pérdidas de calor por metro de tubería W/m De = Diámetro exterior del aislamiento De = Di + ( 2*d) m Di = Diámetro interior del aislamiento (exterior de la tubería) m (Para la simbología y unidades hemos usado las de la nueva norma UNE EN ISO 12241 "Aislamiento térmico para equipos de edificación e instalaciones industriales. Método de cálculo", que sustituye a otras anteriores de contenido similar, como UNE 100170 o UNE 92010). Con estas fórmulas obtenemos las pérdidas energéticas pero es muy importante reseñar que en instalaciones con fluidos frios antes de definir un espesor que nos permita unas determinadas pérdidas, es mas importante asegurarnos que la temperatura superficial de toda la instalación

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permanezca por encima de la de rocío del ambiente, lo que conocemos como evitar la condensación 3 EL PROBLEMA DE LA CONDENSACIÓN EN INSTALACIONES CON FLUIDOS FRIOS Desde el punto de vista histórico, evitar el problema de la condensación en instalaciones con fluidos fríos fue el principal reto que debía superar un aislamiento térmico. Analizaremos dos tipos de condensación, una la superficial y otra la intersticial

La condensación superficial es un fenómeno físico que se produce en la superficie con temperatura inferior a la de rocío del ambiente, dado que el aire caliente puede contener mayor cantidad de vapor de agua que el aire alrededor de una superficie fría. Por esta razón, un objetivo de los especificadores para este tipo de instalaciones es conseguir que la superficie del aislamiento permanezca seca. En instalaciones que no están bien aisladas, las gotas de agua o el hielo de la condensación perturban sensiblemente el funcionamiento causando daños importantes y a veces irreparables En todas las normativas sobre instalación de aislamiento se hace mucho hincapié en mantener la estanqueidad de la instalación con el uso de una efectiva barrera de vapor, aceptando como obvio el hecho de que determinados aislamientos en concreto los de espuma elastomérica, por su estructura de células cerradas, impiden el paso de humedad a través del aislamiento, por lo que pueden proporcionar una efectiva barrera de vapor en todo su espesor, (véase capítulo 5), lo que unido a su flexibilidad, facilita el perfecto acoplamiento a codos válvulas y piezas delicadas que suelen ser los puntos críticos de las instalaciones, y por tanto consiguiendo una buena estanqueidad y un buen comportamiento con el paso del tiempo. Ahora bien, para mantener la temperatura superficial de la instalación mas alta que la de rocío del ambiente, lo primero que tenemos es que calcular el espesor idóneo de aislamiento cálculo que analizamos a continuación

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Cálculo del espesor de aislamiento necesario para impedir la condensación La elección de un buen aislamiento para instalaciones con fluidos fríos no asegura un control de la condensación si previamente no se ha calculado el espesor que nos asegure una temperatura superficial superior a la del roció del ambiente, pues como puede verse en la figura anterior, un espesor pequeño, no soluciona el problema dado que en dos de los tres ejemplos considerados la temperatura superficial no impide la condensación. Para este tipo de calculo, disponemos de un CD que nos puede solicitar, pero citaremos brevemente el proceso Primero obtenemos la temperatura superficial desglosándola de la fórmula (1) y a continuación hacemos esa temperatura igual (o mayor) que la de rocío ( θdew)

El espesor mínimo para superficies planas es

d = (λ / h ) * (θdew - θ i) / (θa - θdew) (3) y el equivalente para superficies curvas d= (De/2) *ln (De / Di ) (4)

Factores que intervienen Analizamos los conceptos que aparecen en las dos fórmulas anteriores El coeficiente de conductividad térmica λ La característica mas importante de un aislamiento térmico es su coeficiente de conductividad , que nos mide el calor cedido por unidad de superficie y espesor, por unidad de tiempo y cuando entre las paredes se establece la diferencia de temperatura unitaria Símbolo λ Unidades: W/(m.K)

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Concepto que está ampliamente tratado en la Norma UNE EN ISO 7345 Este valor, que aparece en todas las publicaciones de los aislamientos, no es un dato fijo, sino que depende da la temperatura, de la densidad, de la humedad y del envejecimiento del aislamiento como puede apreciarse en los gráficos posteriores

Hemos de diferenciar también entre el valor de este coeficiente obtenido con un simple ensayo, el valor controlado o supervisado "por terceros" lo que se llama valor declarado y el valor de diseño, que incluye coeficientes correctores El CEN 89 WG3 está preparando dos normas sobre valores declarados y de diseño basadas en la ISO 10456

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El coeficiente superficial de transmisión de calor Cuando analizamos la formula (3) comprobamos que el coeficiente superficial de transmisión de calor (h) juega un papel muy importante a la hora de obtener el espesor de aislamiento, es decir el resultado es inversamente proporcional al valor seleccionado. El valor de h depende de varios factores como la diferencia de temperatura, velocidad del aire, posición. tipo de superficie (no metálica, chapa galvanizada, aluminio), etc y puede determinar distintos espesores de aislamiento para las mismas condiciones de temperatura y de humedad En los cálculos por aplicación de la fórmula (3) recomendamos los siguientes valores en W/(m2.K) Superficie no metálica 9 Chapa galvanizada 6-7 Aluminio 4-5

El gráfico anterior nos da, de forma aproximada los valores de este coeficiente, tanto en radiación (por aplicación de la ecuación de Stefan Boltzman) según la diferencia de temperatura y el tipo de superficie y en convección, para distintas velocidades de aire, posición de la tubería y diámetro ( ecuación de Rice Heilman) de acuerdo con UNE 100170 Las temperaturas interior, ambiente y humedad relativa Para la temperatura interior, debemos seleccionar la mínima de trabajo en la red. El criterio para la elección de temperatura ambiente y humedad relativa se puede tomar de UNE 100 001, aunque para asegurar la prevención de condensación y como margen de seguridad debemos escoger los valores mas altos para la temperatura ambiente y humedad relativa

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Los espesores del cálculo para evitar la condensación y los espesores del RITE Los espesores mínimos dados en el RITE para fluidos fríos, cumplen por lo general con el requisito de espesor mínimo para evitar la condensación. En la siguiente tabla hemos tomado los valores mas extremos en una instalación de aire acondicionado y solo en el caso de 35ºC y 80% de HR algunas tuberías como la de 35mm están en valores límite. El cálculo está hecho para una espuma elastomérica de λ = 0.037 W/(m.K). Sin embargo puede comprobarse que la medida siguiente ya queda holgada y esto es debido a que el RITE fija unos espesores de 20, 30, 40, etc es decir con intervalos de 10 mm que debería reducirse en intervalos de 5 o incluso menores para asegurar una temperatura superficial mas uniforme

Ejemplo de espesor necesario para evitar la condensación Temp interior 5ºC Temp ambiente 35ºC

Diámetro mm Hum Rel 75% HR 80% Espesor RITE 22 13 17 20 28 14 18 20 35 15 18 20 42 15 19 30 60 16 20 30 89 16 22 30 140 18 23 40 Sup planas 19 26 40 El siguiente diagrama nos permite obtener de forma rápida el espesor aproximado de aislamiento para superficies planas, conocida la temperatura interior, la ambiente y la humedad relativa

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En la parte superior seleccionamos la temperatura interior (A) que unimos con una recta con la temperatura ambiente (B). Subimos una perpendicular hasta la humedad relativa (C). Una horizontal hasta la línea de saturación (D) y desde ese punto, una nueva vertical que nos da el espesor de aislamiento para superficies planas (E) Relación entre superficies planas y curvas El objetivo de cualquier proyectista debe ser mantener la misma temperatura superficial ( en este caso superior a la del rocío) en toda la instalación, ya sean superficies planas o curvas La figura siguiente explica gráficamente la diferencia que podemos obtener también de la fórmula (4)

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Es decir, en superficies curvas añadimos unas cuñas de aislamiento que redundan en una reducción del espesor por lo que a mayor diámetro de tubería corresponde un mayor espesor de aislamiento Con el siguiente diagrama, una vez conocido un espesor de aislamiento para superficies planas, podemos obtener directamente su espesor equivalente para distintos diámetros Gráfico Conversión de espesores de aislamiento entre superficies planas y curvas

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Determinados productos de espuma elastomérica ya tienen en cuenta estas variaciones e incluyen en su gama mayores espesores para mayores diámetros, lo que se conoce como espesor nominal creciente

4 AHORRO ENERGÉTICO Como se ha comentado anteriormente el aislamiento térmico tiene como uno de sus objetivos importantes el ahorro energético Los cálculos relativos al ahorro energético se basan en las ya citadas fórmulas (1) y (2) y se suelen referir sobre todo a instalaciones con fluidos calientes.

Para obtener las pérdidas de calor sin aislar suprimimos del denominador el sumando correspondiente al espesor de aislamiento. Después hacemos el cálculo con diferentes espesores de aislamiento y obtenemos el porcentaje de ahorro. (Para estos cálculos el coeficiente superficial se suele tomar 16.4 W/(m2.K) valor citado en la NBE para una velocidad del aire de 2m/s) Por aplicación de estos criterios llegamos a la conclusión de que con un espesor medio recomendado en el RITE (30 mm), el porcentaje de ahorro es superior al 85 %

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El nuevo proyecto de RITE El nuevo proyecto presenta algunos retoques en el área de agua caliente sanitaria y calefacción con el fin de uniformizar el ahorro energético en torno al 90% partiendo del criterio de mantener la temperatura superficial de la instalación aislada en torno al 10% de la diferencia de temperaturas entre la instalación y el ambiente en el caso de que no estuviera aislada Para instalaciones de agua caliente sanitaria que están en funcionamiento continuo ( hospitales, hoteles ..) se recomienda incrementar los espesores en 5 mm Las tablas quedan expresados los espesores mínimos, en función del diámetro exterior de la tubería sin aislar y de la temperatura del fluido en la red. Las tablas para tuberías y conductos son las siguientes: Tabla 1 Tuberías y accesorios con fluidos calientes que discurren en el interior de edificios.

Tabla 2 Tuberías y accesorios con fluidos calientes que discurren en el exterior de edificios

Tabla 3 Tuberías y accesorios con fluidos fríos que discurren en el interior de edificios.

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Tabla 4 Tuberías y accesorios con fluidos fríos que discurren en el exterior de edificios.

Tabla 5 Espesores de aislamiento de conductos.

El gráfico anterior nos muestra las pérdidas energéticas para distintas tuberías y distintos espesores de aislamiento con los correspondientes porcentajes de ahorro También consideramos de interés el gráfico de la siguiente, que nos muestra el estudio en una tubería de 1" y donde puede comprobarse como son los primeros milímetros de aislamiento los

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que mayor repercusión tiene en el ahorro energético mientras que a partir de un espesor de 30mm, para conseguir un pequeño incremento del porcentaje de ahorro es necesario duplicar el espesor de aislamiento. Este argumento de aislar aunque sea con poco espesor, es válido en instalaciones en las que por problemas de espacio, situación, tabiquería estrecha etc, no es posible usar los espesores mínimos recomendados y para estos casos debemos usar aunque sea un espesor menor. Esto ocurre con mas frecuencia en las instalaciones de fontanería donde el aislamiento recomendado en el RITE no llega "hasta los grifos" Espesor mínimo, espesor económico Un concepto que se maneja a la hora de hablar de espesores mínimos es el de espesor económico. Desde el punto de vista teórico no hay ningún problema a la hora de calcular este espesor para un caso puntual, ya que se obtiene por la intersección de la curva correspondiente al coste de los distintos espesores de aislamiento y la ya analizada de ahorro energético.(Gráfico de la derecha) Sin embargo los factores que influyen tanto en una curva como en otra (distintos materiales aislantes, mano de obra, acabados, precio de la energía etc, hacen prácticamente imposible un consenso a nivel de normalizadores. En concreto, un proyecto de norma europea sobre este tema estudiado en el CEN 89 WG3 se ha suspendido por falta de acuerdo

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5 LOS BENEFICIOS A LARGO PLAZO DE UN AISLAMIENTO CON ALTO FACTOR DE RESISTENCIA A LA DIFUSIÓN DEL VAPOR DE AGUA La eficiencia de un aislamiento térmico a la hora de reducir pérdidas energéticas durante un largo periodo de tiempo, depende de un buen coeficiente de conductividad inicial y del comportamiento práctico de la instalación, así como de una efectiva barrera de vapor incorporada a fin de minimizar la penetración de humedad en el aislamiento ya que este fenómeno repercute negativamente en el rendimiento de la instalación Conceptos generales La presión atmosférica es la suma de las presiones parciales de los distintos gases y aunque es variables según la altitud y el clima, tiene un valor comúnmente aceptado de 760 mm de mercurio El vapor de agua aporta una presión parcial en función de su concentración, que viene dada en tanto por ciento y que llamamos humedad relativa. El valor máximo es el punto de saturación o de rocío. El contenido de humedad varia con la temperatura Si tenemos un recinto cerrado y a 20º C con una humedad del 75% y lo enfriamos a 10ºC se producirá una condensación de una parte de ese vapor de agua y una caida de presión que provocaría un flujo de vapor si existiese una pared permeable. En las instalaciones con fluidos fríos no solo existe la condensación superficial que hemos tratado, sino que además existe la condensación intersticial, es decir la que se va acumulando lentamente en el aislamiento y entre el aislamiento y la tubería. Esta humedad es debida al flujo de vapor de agua desde el ambiente al interior como consecuencia de la diferencia de presión que se origina por la diferencia de temperatura del fluido frío y el ambiente y causando serios problemas en la instalación.

Los aislamientos con barrera de vapor instalada en el exterior tienen una estanqueidad difícil de asegurar con el tiempo, y algunos aislamientos con "barrera de vapor incorporada" no siempre garantizan un buen comportamiento a lo largo del tiempo de funcionamiento de la instalación.

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Para estudiar este fenómeno necesitamos los conceptos que veremos a continuación La permeabilidad al vapor de agua La permeabilidad al vapor de agua de un material nos mide la cantidad de vapor que pasa por unidad de superficie unitaria de un material de espesor unitario en un tiempo unidad y cuando entre sus paredes se establece una diferencia de presión unitaria Símbolo: δ Unidades: Kg / (m.s .Pa) Estas unidades recomendadas en la Norma UNE EN ISO 9346, no son de uso frecuente y se suelen usar muy distintas según países, tipo de materiales etc. La siguiente tabla nos da los coeficientes de conversión de algunas de estas unidades Unidades de permeabilidad al vapor de agua Kg / (m.s.Pa ) g.cm/ (m2.d.mmHg) g/(m.h.mmHg) Kg / (m.s.Pa ) 1 115.2 E +10 4.78 E+8 g.cm/ (m2.d.mmHg 8.68E-13 1 0.000417 g/(m.h.mmHg) 2.08E-9 2400 1 El factor de resistencia al vapor de agua (Factor μ) El factor μ es el cociente entre la permeabilidad al vapor de agua del aire estanco y la del material en consideración. La permeabilidad del aire a 23ºC 50% HR y 1AT 1.95 E-10 kg/(m.s.Pa) 224 g.cm/(m2.d.mmHg) Este concepto tiene la ventaja de que al tratarse de un cociente entre unidades homogéneas, el resultado es adimensional Por ejemplo cuando decimos que un aislamiento de espuma elastomérica es μ > 7000 queremos decir que es 7000 veces mas resistente a la difusión del vapor de agua que el aire estanco. Como valor de referencia, la norma UNE 92106 fija un mínimo μ= 2500 para instalaciones en fluidos fríos Cada familia de materiales aislantes tiene por datos experimentales un coeficiente de penetración de humedad en función del tiempo, que unido al factor de resistencia al vapor de agua, nos lleva al gráfico siguiente donde se comparan materiales con distinto factor μ por su influencia en el aumento del coeficiente de conductividad en 10 años

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Y como consecuencia la gráfica de las pérdidas energéticas

Un alto factor μ asegura un mejor comportamiento de la instalación con el tiempo Actualmente se está trabajando (CEN 89 WG 3 ) en la influencia de este factor en la conductividad y es posible que se incluya la dependencia que dicho factor tiene con la temperatura como ya hemos comentado de la conductividad 6 EL AISLAMIENTO MEJORA EL RENDIMIENTO DE LA INSTALACION Un buen aislamiento asegura este requisito, dado que los equipos trabajan con fluidos a temperaturas próximas a los valores de diseño, lo que facilita y mejora el rendimiento de la instalación llegando a disminuir el tamaño de los equipos 7 AISLAMIENTO ACÚSTICO Un requisito adicional que cumplen determinados aislamientos térmicos es su buen comportamiento como aislamientos acústicos. Los ensayos para evaluar esta característica en las instalaciones se basan en la norma DIN 4109 que consiste en provocar determinados ruidos en la instalación y medir su impacto sin y con aislamiento. Con determinados aislamientos térmicos y con los espesores recomendados en el RITE se puede conseguir una reducción del ruido superior a los 25 dB (A)

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8 COMPORTAMIENTO ANTE EL FUEGO La reacción al fuego para los materiales de construcción se mide en España de acuerdo con la Norma UNE 23727 La Norma Básica de la Edificación " Condiciones de protección contra incendios" de 1996 fija para materiales aislantes instalados en falsos techos, patinillos etc la exigencia de M-1 según la citada Norma UNE 23727 En términos prácticos, la clasificación al Fuego M-1 quiere decir que el material no provoca llama durante mas de 5 segundos, no propaga el fuego ni en sentido vertical ni horizontal, no gotea y los gases no se inflaman.

Esta Norma es mas exigente que otras clasificaciones europeas, como el M-1 francés, clase 1 italiano, B-1 alemán etc, por lo que se debe exigir la clasificación M-1 ( UNE 23727) supervisada por un Laboratorio Oficial Homologado

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9 CARACTERISTICAS SUPERVISADAS Hemos reseñado una serie de características fundamentales a exigir a un aislamiento en el campo del frío como son su coeficiente de conductividad, su factor de resistencia al vapor de agua y su reacción al fuego. Los cálculos y las expectativas con respecto al comportamiento del aislamiento están basados en las informaciones publicadas por el fabricante, pero lo que es realmente importante es que el aislamiento cumpla todos los requisitos exigidos, por lo que se hace necesario algún tipo de control aplicado al producto que garantice su comportamiento en la práctica. El proceso de un control de calidad se lleva a cabo por un Organismo Oficial Homologado para verificar el control interno, comprobar el marcado, tomar aleatoriamente muestras y ensayar dichas muestras para que cumplan los requisitos de la Norma UNE correspondiente al producto. La consecución de una marca de calidad como la marca AENOR lleva implícito además el control de calidad de la producción de acuerdo con la Norma UNE EN ISO 9000, es decir el Certificado de Empresa Registrada El RITE reclama estos controles a los Fabricantes

10 INSTALACION Los controles de calidad de los fabricantes deben ir acompañados de unas exigencias similares para los instaladores, aunque en la actualidad son pocos los instaladores de aislamiento acogidos a algún tipo de control de calidad lo que obliga a los fabricantes a esforzarse con cursos de adiestramiento y un más estricto control y seguimiento de las obras, a fin de conseguir que el producto final cumpla los requisitos exigidos. La normativa al respecto tanto española como europea debería actualizarse

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En las instalaciones con fluidos fríos ha de cuidarse especialmente la estanqueidad, el mantener un espesor homogéneo, sin áreas comprimidas así como evitar zonas de poca ventilación donde se puede acumular la humedad, como se explica en el gráfico anterior 11 CONCLUSION La elección de un aislamiento adecuado es fundamental a la hora de asegurar un buen comportamiento a lo largo del tiempo de funcionamiento de la instalación Este aislamiento debe tener unas características controladas así como asegurarse que este correctamente instalado.

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