Tema 4.5

Resistencia térmica global

La resistencia térmica global es un concepto fundamental en la evaluación del comportamiento térmico de los edificios, especialmente en el diseño y análisis del aislamiento térmico. Se refiere a la medida total de la dificultad que presenta un elemento constructivo para permitir el paso del calor desde un lado hacia el otro, considerando todas las capas y mecanismos de transferencia de calor involucrados. La resistencia térmica global no solo tiene en cuenta las propiedades intrínsecas de los materiales utilizados, sino también las condiciones de superficie, las convecciones internas y externas, y las posibles patologías que puedan afectar la eficiencia del aislamiento.

1. Introducción al concepto de resistencia térmica global

En la edificación, el control de la transmisión térmica es esencial para garantizar el confort interior, reducir el consumo energético y minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero. La resistencia térmica global surge como una herramienta integral para cuantificar la capacidad de un elemento constructivo para resistir el flujo de calor, permitiendo así una evaluación comparativa y optimización de diferentes soluciones constructivas.

Este concepto se desarrolla a partir de la suma de resistencias individuales que representan cada capa del elemento constructivo, además de las resistencias en las superficies debido a fenómenos de convección. La correcta determinación de la resistencia térmica global es crucial en procesos como la certificación energética, el diseño bioclimático y la evaluación del comportamiento en condiciones extremas.

2. Definiciones y conceptos clave

Resistencia térmica (R)

La resistencia térmica de un material o capa constructiva se define como la relación entre su espesor (d) y su conductividad térmica (λ):

R = d / λ

Esta propiedad indica qué tan eficaz es un material para resistir el paso del calor. Cuanto mayor sea el valor de R, mayor será la resistencia al flujo térmico.

Conductividad térmica (`λ`)

Es una propiedad intrínseca del material que mide su capacidad para conducir calor. Los materiales con baja conductividad (como los aislantes) tienen valores pequeños de λ, mientras que los conductores térmicos como los metales presentan valores elevados.

Transmisión térmica (`Q`)

Es el flujo de calor que atraviesa un elemento en condiciones específicas, generalmente expresado en vatios (W). La ley fundamental que rige este proceso es la ley de Fourier:

Q = (ΔT) / R_total

donde ΔT es la diferencia de temperatura entre las superficies.

Resistencia térmica total (R_total) o resistencia térmica global

Es la suma de todas las resistencias individuales que intervienen en la transferencia de calor a través del elemento constructivo, incluyendo:

Resistencias internas: provocadas por convección en las superficies interior y exterior.
Resistencias por capas: debido a cada material o capa constructiva intermedia.
Resistencias adicionales: por patologías o irregularidades en el elemento constructivo.

3. Desarrollo teórico y cálculo de la resistencia térmica global

Cálculo mediante sumas algebraicas

El método más utilizado para determinar la resistencia térmica global, R_total, consiste en sumar todas las resistencias individuales:

R_total = R_s,i + Σ R_b,i + R_s,e

donde:

R_s,i
Σ R_b,i
R_s,e

Cada resistencia puede calcularse mediante las siguientes expresiones:

Resistencia por convección superficial:

R_s= 1 / h

Resistencia por capa material:

R= d / λ

Cálculo mediante modelos complejos y software especializado

Aunque el método sumatorio es suficiente para muchas aplicaciones prácticas, en casos complejos o con geometrías no homogéneas se emplean modelos numéricos y software especializados que consideran efectos como:

Efectos multidimensionales.
Pérdidas por puentes térmicos.
Efectos transitorios y dinámicos.
Paredes con variaciones en propiedades o patologías.

Estos programas permiten obtener una evaluación más precisa y detallada, integrando elementos como puentes térmicos, patologías o condiciones ambientales variables.

4. Factores que influyen en la resistencia térmica global

A continuación se describen los principales factores que afectan a la resistencia térmica total de un elemento constructivo:

Eficacia del aislamiento y selección de materiales

Cada material tiene una conductividad diferente; por tanto, la elección adecuada impacta directamente en R_b,i. Los materiales aislantes como poliuretano, poliestireno expandido o lana mineral ofrecen altas resistencias debido a sus bajos valores de λ.

Estructura multicapa y su disposición espacial

Sistemas constructivos compuestos por varias capas pueden tener diferentes configuraciones: ordenadas en serie o en paralelo. La disposición afecta a cómo se suman las resistencias y a cómo se distribuye el calor.

Pareces y patologías constructivas

Paredes con humedad, fisuras o puentes térmicos reducen efectivamente R_Total. La presencia de patologías puede crear vías preferenciales para el flujo calórico, disminuyendo la eficiencia del aislamiento.

Efecto de las superficies: convección interna y externa

Eficiencia en la transferencia por convección depende del coeficiente h, que varía según condiciones climáticas, ventilación interna o presencia de obstáculos. Valores típicos oscilan entre 5-10 W/m²·K para exteriores e interiores normales.

5. Ejemplo práctico: cálculo completo de R_Total

Supongamos una pared compuesta por una capa interior de yeso (espesor d=1 cm; λ=0.25 W/m·K), una capa aislante (espesor d=10 cm; λ=0.04 W/m·K), y una capa exterior de ladrillo (espesor d=20 cm; λ=0.7 W/m·K). Las condiciones son:

Capa interior:

Densidad: 700 kg/m³; Conductividad: 0.25 W/m·K; Espesor: 0.01 m.

Aislamiento:

Densidad: 30 kg/m³; Conductividad: 0.04 W/m·K; Espesor: 0.10 m.

Ladrillo exterior:

Densidad: 1800 kg/m³; Conductividad: 0.7 W/m·K; Espesor: 0.20 m.

Coefficientes convectivos:

Nivel interior: h_I=8 W/m²·K;
Nivel exterior: h_E=25 W/m²·K;

El cálculo sería: - Resistencia por convección interior:

R_s,i= 1 / h_I= 1 / 8 = 0.125 m²·K/W

- Resistencia por capa aislante:

D=0.10 m; λ=0.04 W/m·K
R= D / λ= 0.10 / 0.04= 2.5 m²·K/W

- Resistencia por ladrillo:

D=0.20 m; λ=0.7 W/m·K
R= 0.20 / 0.7≈ 0.286 m²·K/W

- Resistencia por convección exterior:

R_s,e= 1 / h_E= 1 /25= 0.04 m²·K/W

Sumando:

R_Total= R^s,i+ R^b,i+ R^b,e= 0.125 + 2.5 + 0.286 + 0.04≈ 2.951 m²·K/W

Este valor indica qué tan resistente es esa pared frente al flujo calórico bajo condiciones estándar.

6. Consideraciones adicionales y limitaciones del concepto de resistencia térmica global

Aunque muy útil, el cálculo basado en resistencias tiene ciertas limitaciones:

Puentes térmicos: zonas donde se concentran pérdidas calóricas debido a discontinuidades estructurales (por ejemplo, vigas o esquinas).
Paredes con patologías: humedad o fisuras alteran significativamente los valores teóricos calculados.
Efectos transitorios: cambios temporales en condiciones ambientales no reflejados en cálculos estáticos.
Efecto multidimensional:- algunos flujos no son estrictamente unidimensional, afectando precisión del modelo simple.

Por ello, se recomienda complementar estos cálculos con análisis avanzados cuando sea necesario.

Síntesis final y conceptos clave imprescindibles para comprender la resistencia térmica global:

Aquella que mide toda la dificultad que presenta un elemento constructivo para transmitir calor desde un lado al otro.
Suma algebraica de resistencias individuales: superficies internas y externas más capas intermedias.
Eficaz para evaluar soluciones constructivas estándar y optimizar diseños energéticos.
Sujeta a errores si no se consideran puentes térmicos ni patologías existentes.
Pertenece al marco teórico fundamental para certificación energética y diseño bioclimático.
Sus cálculos requieren atención cuidadosa a propiedades materiales, condiciones superficiales y geometría del elemento.

Cada uno de estos aspectos contribuye a una comprensión integral del comportamiento térmico real del edificio y permite tomar decisiones fundamentadas para mejorar su eficiencia energética futura.

A continuación se abordarán aspectos relacionados como los puentes térmicos y patologías que afectan directamente a esta resistencia total, así como metodologías avanzadas para su evaluación precisa en proyectos reales.

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