Hoy en día, en el ámbito de la edificación, se cuenta con una oferta de vidrios extraordinariamente amplia. Por ejemplo, la International Glazing Database [1] incluye cerca de 6,000 vidrios producidos por fabricantes de todo el mundo. Aunque en estricto sentido cada uno de esos vidrios tiene propiedades ópticas únicas, es posible agruparlos en un número reducido de categorías para facilitar su caracterización en el análisis ambiental y energético de edificios. Con base en ese criterio, podemos definir seis tipos principales de vidrio: claro, absorbente, reflectante, absorbente-reflectante, bajo emisivo y espectral-selectivo [2]. Además de las propiedades ópticas de los vidrios, estas categorías responden a las tecnologías empleadas para producirlos, como veremos más adelante.

La gráfica de la Figura 1 muestra las propiedades ópticas de seis vidrios que pueden considerarse representativos de los tipos indicados arriba. Forman parte del paquete de datos WindowGlassMaterials, elaborado por el equipo de desarrollo de EnergyPlus [3]. Las barras apiladas muestran la proporción de la radiación solar total que es absorbida (A_s), reflejada (R_s) y transmitida (T_s), mientras que las líneas muestran el nivel de transmisión de luz (línea continua) y la emisividad (línea punteada).

Figura 1. Propiedades ópticas de los 6 principales tipos de vidrio.

Quizá estas propiedades se pueden visualizar mejor mediante los diagramas de la Figura 2, que incluyen además un componente de gran importancia: el aporte global de calor solar. En ellos se muestra gráficamente la forma en que los seis tipos de vidrio reflejan (1), absorben (2) y transmiten (3) la radiación solar completa, la luz visible y la radiación de onda larga. En el caso de la radiación solar también se muestra la parte de la radiación absorbida que luego es emitida al interior en forma de calor (4). La suma de la radiación transmitida directamente (3) y el calor emitido al interior (4) representa el aporte global de calor solar (5). El espesor de las flechas representa, de manera aproximada, las fracciones correspondientes.

Figura 2. Comportamiento de los vidrios ante los diferentes tipos de radiación.

Se observa que el vidrio claro presenta una elevada transparencia a la radiación solar y a la luz visible, mientras que, debido a su elevada emisividad, solo refleja una pequeña parte de la radiación de onda larga que recibe. El vidrio absorbente reduce significativamente la transmisión de radiación solar y visible, manteniendo una reflectividad baja y una emisividad elevada. El vidrio reflectante reduce la transmisión de radiación solar y visible en una proporción similar al absorbente, pero en este caso reflejando instantáneamente buena parte de la radiación solar incidente. El vidrio absorbente-reflectante, combina las características de ambos vidrios y reduce de manera aún más marcada la transmisión de radiación solar y visible. El vidrio bajo emisivo tiende a comportarse como un vidrio claro, pero refleja en buena medida la radiación de onda larga. Finalmente, el vidrio espectral-selectivo permite reducir de manera significativa el aporte global de calor solar, pero mantiene un buen nivel de transparencia a la luz visible.

Para comprender mejor las propiedades de estos seis tipos de vidrio, las tecnologías empleadas para producirlos y su potencial de utilización, en las siguientes secciones hacemos una descripción más detallada de cada uno de ellos.

Vidrios claros

Los vidrios claros, como indica su nombre, son vidrios casi completamente transparentes e incoloros. Se producen a partir de mezclas de compuestos como la arena de sílice (alrededor del 75%), el carbonato sódico y la roca caliza, que cumplen funciones vitrificantes, fundentes y estabilizantes, respectivamente. Estas mezclas se funden a una temperatura de aproximadamente 1,600 ºC y luego se procesan para producir las hojas de vidrio.

El método de procesamiento más usado hoy en día es el flotado, que consiste en depositar la mezcla fundida sobre una piscina de estaño, también fundido. Al tener una menor densidad que el estaño, el vidrio flota sobre la piscina y adquiere una planimetría casi perfecta, pues sus superficies superior e inferior se mantienen completamente horizontales y paralelas. Posteriormente las hojas de vidrio se enfrían de manera controlada para evitar tensiones internas, las cuales debilitarían el vidrio y dificultarían su cortado final.

Los vidrios claros flotados son los más usados hoy en día. Además, durante o después de su producción, admiten diversos tratamientos para proporcionarles características específicas, como es el caso de los vidrios templados y los laminados. De hecho, también son la base para producir los vidrios orientados al ahorro energético que describimos abajo.

Nota: Hay un tipo de vidrio flotado especial, conocido como extra-claro o ultra-claro. Se trata de un vidrio que tiene bajo contenido de óxidos de hierro, lo cual le brinda una transparencia aún mayor que la de los vidrios claros normales.

Vidrios absorbentes

Los vidrios absorbentes, también conocidos como tintados, se producen añadiendo óxidos metálicos al vidrio claro normal. Debido a ello adquieren diferentes tonalidades, dependiendo de los óxidos metálicos empleados. Por ejemplo, el vidrio azul/verde se obtiene mediante óxido de hierro, el bronce mediante óxido de selenio y el gris mediante una combinación de óxidos de cobalto, níquel, selenio y hierro.

Debido a las partículas metálicas incorporadas, estos vidrios absorben buena parte de la radiación solar, incluyendo en mayor o menor medida la luz natural. Los vidrios con tono gris y bronce suelen reducir la transmisión de calor y luz en proporciones similares. Los vidrios verdes y azules permiten una transmisión de luz bastante mayor, así como una transmisión de calor ligeramente menor.

Los vidrios absorbentes tienen mayor utilidad en climas cálidos y en edificios con posibilidades de sobrecalentamiento, ya que pueden reducir la transmisión de radiación solar directa y el deslumbramiento. Sin embargo, es importante tener en cuenta sus posibles desventajas:

• Al absorber la radiación solar, los vidrios absorbentes se calientan mucho más que un vidrio claro, lo cual puede incluso percibirse al tacto. Ya que una parte del calor absorbido es re-irradiado hacia el interior, los beneficios de reducir la transmisión directa disminuyen. En ese sentido los vidrios absorbentes, por si solos, pueden no ser tan efectivos para reducir el coeficiente de ganancia de calor solar como otros tipos de vidrio.
• Cuando son muy oscuros, los vidrios absorbentes reducen en gran medida la transmisión de luz. Eso puede aumentar la demanda de iluminación artificial, y con ello las cargas de refrigeración. También pueden obstruir demasiado la visibilidad al exterior.

Respecto al primer punto, se recomienda agregar hojas de vidrio claro o recubrimientos bajo emisivos a los sistemas de acristalamiento con vidrio absorbente, con el objeto de reducir la cantidad de energía re-irradiada al espacio.

Vidrios reflectantes

Los vidrios reflectantes han sido concebidos para aumentar la cantidad de radiación solar reflejada hacia el exterior, reduciendo de esa manera la radiación transmitida y absorbida por el propio vidrio. Este efecto se suele conseguir revistiendo una de las superficies del vidrio con una delgada capa metálica, de cuyo espesor dependerá en buena medida su coeficiente de reflectancia.

Uno de los métodos más comunes para crear la capa metálica sobre el vidrio es el conocido como pirolítico. Éste consiste en la aplicación de óxidos metálicos vaporizados sobre la superficie semi-fundida del vidrio, durante su proceso de producción. El vapor reacciona con la superficie del vidrio, que se encuentra a una elevada temperatura, y deja una capa metálica completamente integrada. Esta capa, también conocida como capa dura, ofrece una excelente resistencia a la intemperie y una gran versatilidad para su posterior procesamiento y colocación.

Otro método es el denominado magnetrónico, el cual consiste en aplicar el revestimiento metálico en frío, dentro de una cámara de alto vacío, mediante pulverización catódica. El procedimiento implica magnetizar la superficie del vidrio para ordenar las partículas metálicas en capas extraordinariamente finas y con una capacidad de reflexión casi perfecta. Comparados con los vidrios reflectantes pirolíticos, los vidrios magnetrónicos suelen ofrecer coeficientes de sombra más bajos y mayor variedad de tonos. Sin embargo la capa metálica es mucho menos resistente a la intemperie y la manipulación, por lo que siempre se coloca hacia la cámara de gas en ventanas de dos o más vidrios, o bien en contacto con la capa de polivinil butiral (PVB) de vidrios laminados. Los vidrios magnetrónicos no pueden ser posteriormente endurecidos, templados ni curvados.

Los vidrios reflectantes suelen ser bastante efectivos para reducir el coeficiente de ganancia solar (SHGC), así como el deslumbramiento en los espacios interiores, por lo que se recomiendan para climas cálidos con elevados niveles de radiación solar incidente. Sin embargo, también pueden bloquear en gran medida el paso de la luz natural, haciendo necesario un uso más intensivo de la iluminación artificial. Por otro lado, los vidrios más reflectantes pueden provocar problemas serios en su entorno, al reflejar la radiación solar hacia otros edificios y hacia las personas. De hecho en algunos países existen normas que establecen coeficientes de reflectancia máximos.

Vidrios absorbente-reflectantes

Los vidrios absorbente-reflectantes son básicamente una combinación de los dos tipos de vidrio de los cuales toman su nombre. Es decir, son vidrios a los que se les incorporan óxidos metálicos para incrementar su absortancia, así como una capa metálica reflectante. Gracias a esa combinación de propiedades pueden reducir de manera más eficiente la transmisión de calor solar. El gran problema asociado a este tipo de vidrio, sin embargo, es que también reducen en gran medida la transmisión de luz. Eso no solo incrementa los consumos energéticos asociados al uso de la iluminación artificial, sino que las ganancias de calor por la iluminación pueden incrementar las demandas de refrigeración. Además, las vistas al exterior se pueden ver muy afectadas, lo cual resulta contradictorio con la intención de usar acristalamiento en los edificios.

Vidrios bajo emisivos (Low-E)

Los vidrios bajo emisivos se producen con las mismas tecnologías que los vidrios reflectantes, tanto con el método pirolítico como el magnetrónico, pero son diseñados para reflejar principalmente la radiación térmica infrarroja, siendo por lo general bastante transparentes al resto del espectro solar. Si asumimos que la emisividad es el inverso de la reflectancia a la radiación infrarroja, tenemos entonces que mientras más alto es el valor de ésta última, más bajo será el valor de emisividad. Por ejemplo, un vidrio claro estándar tiene una emisividad de 0.84, lo cual indica que de la radiación de onda larga que incide sobre él refleja el 14% mientras que absorbe (y posteriormente emite) él 84%. En cambio un vidrio con recubrimiento Low-E, con una emisividad de 0.04, refleja el 96% de la radiación de onda larga, mientras que absorbe y emite solo el 4%.

La aplicación más eficiente de los vidrios bajo emisivos suele ser en climas fríos y en edificios con elevados requerimientos de calefacción, dado que su cometido principal es reducir el factor U del acristalamiento, disminuyendo los flujos de calor radiante pero permitiendo una buena transmisión de luz natural. En determinadas circunstancias, por ejemplo cuando el acristalamiento se orienta de manera adecuada, los vidrios bajo emisivos también pueden ofrecer buenas prestaciones en lugares con periodos tanto fríos como cálidos.

Para lograr su cometido los recubrimientos bajo emisivos generalmente se aplican en la superficie #2 (superficie interior del vidrio exterior) de sistemas herméticos de doble vidrio claro. En los climas y/o periodos fríos los espacios interiores, que suelen estar a una temperatura superior a la del ambiente exterior, irradian energía en forma de infrarrojos lejanos (la máxima radiación tiene una longitud de onda próxima a los 10 micrómetros). El vidrio interior absorbe el 84% de ese calor radiante, elevando su temperatura y re-irradiando calor hacia el vidrio exterior más frío. Sin embargo el recubrimiento bajo emisivo en la superficie #2 solo absorbe del 3 al 20% de esa energía, reduciendo significativamente el flujo de calor hacia el exterior.

Algunos especialistas recomiendan aplicar la capa de baja emisividad en la superficie #3 (superficie exterior del vidrio interior) cuando la prioridad es reducir las pérdidas de calor al exterior. Sin embargo otros establecen que, en ese caso, el hecho de que el recubrimiento Low-E este en la superficie #2 o en la #3 no marca una gran diferencia. Un caso en el que si se recomienda aplicar el recubrimiento Low-E en la superficie #3 es en los sistemas de doble vidrio con un vidrio tintado absorbente al exterior. En ese caso el recubrimiento impide el flujo de calor radiante desde el vidrio absorbente, mejorando significativamente el valor de SHGC.

Vidrios espectral-selectivos

Los vidrios espectral-selectivos, en ocasiones denominados "de control solar", se producen con tecnologías similares a las de los vidrios bajo emisivos. De hecho suelen considerarse una variable de ellos. Su diferencia principal es que además de reflejar de manera eficiente la radiación de onda larga también reflejan la radiación ultravioleta (UV), mientras que permiten un buen aprovechamiento de la luz natural. En otras palabras, los vidrios espectral-selectivos ofrecen una baja transmitancia solar global, una elevada transmitancia visible y una baja emisividad.

Debido a sus propiedades, los vidrios espectral-selectivos se pueden considerar los más avanzados y los que ofrecen un mayor rango de aplicaciones hoy en día, al menos entre los vidrios de propiedades constantes. En todo caso es importante tener en cuenta que su mayor utilidad suele darse en climas cálidos y en edificios con riesgo de sobrecalentamiento. Por otro lado, además de su impacto en el desempeño energético, al reducir el ingreso de rayos ultravioleta estos vidrios también ayudan a minimizar el deterioro de muebles y objetos dentro de los edificios.

Como en el caso de los vidrios bajo emisivos, se recomienda emplear el recubrimiento espectral-selectivo en la superficie #2 (superficie interior del vidrio exterior) de sistemas de acristalamiento de doble vidrio. También se recomienda, si se desea mejorar aún más la transmitancia visible, aplicar dicho recubrimiento sobre vidrios extra-claros.

 Referencias

[1] “Windows Optics, The International Glazing Database,” 2015. [Online]. Available: http://windowoptics.lbl.gov/data/igdb. [Accessed: 10-Nov-2015].

[2] A. Ordoñez García, “Effects of architectural design variables on energy and environmental performance of office buildings,” Ph.D. Thesis, Universitat Rovira i Virgili, 2016.

[3] LBNL, “Output Details and Examples. EnergyPlus Outputs, Example Inputs and Data Set Files,” Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, 2013.

[4] M. Bojić and F. Yik, “Application of advanced glazing to high-rise residential buildings in Hong Kong,” Building and Environment, vol. 42, no. 2, pp. 820–828, 2007.

[5] M. Gijón-Rivera, G. Álvarez, I. Beausoleil-Morrison, and J. Xamán, “Appraisal of thermal performance of a glazed office with a solar control coating: Cases in Mexico and Canada,” Building and Environment, vol. 46, no. 5, pp. 1223–1233, 2011.

[6] “NFRC 300-2014 Test Method for Determining the Solar Optical Properties of Glazing Materials and Systems,” National Fenestration Rating Council, Greenbelt, MD, 2013.

[7] J. Córdoba, M. Macías, and J. M. Espinosa, “Study of the potential savings on energy demand and HVAC energy consumption by using coated glazing for office buildings in Madrid,” Energy and Buildings, vol. 27, no. 1, pp. 13–19, 1998.

[8] F. Noh-Pat, J. Xamán, G. Álvarez, Y. Chávez, and J. Arce, “Thermal analysis for a double glazing unit with and without a solar control film (SnS–CuxS) for using in hot climates,” Energy and Buildings, vol. 43, no. 2–3, pp. 704–712, 2011.

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