Manejo térmico radiativo en edificaciones

11. Manejo térmico radiativo en edificaciones#

11.1. Introducción#

Los edificios representan alrededor del 30% de la demanda energética global (IEA, Energy Efficiency 2025). Considerando solo la operación de edificios, la IEA reporta cerca del 26% de las emisiones globales relacionadas con energía (IEA, Buildings).

../_images/consumo_vivienda_chile.jpg
Figura 1. Consumo energético en vivienda según uso (El Mercurio, "del carbón al sol: El mapa energético de chile").

El enfriamiento de espacios es uno de los usos de energía de mayor crecimiento en edificios. La IEA (The Future of Cooling, 2018) indica que el aire acondicionado y los ventiladores representan cerca del 20% de la electricidad usada en edificios (aproximadamente 10% de la electricidad global) y que, sin políticas de eficiencia, la demanda energética para enfriamiento de espacios podría más que triplicarse hacia 2050.

¿Por qué crece tanto la demanda de enfriamiento?

  • Aumento de ingresos y acceso a equipos de climatización en países en desarrollo.

  • Urbanización acelerada e islas de calor urbanas.

  • Cambio climático: veranos más calurosos y períodos de calor más extremos.

  • Diseño de edificios con gran superficie vidriada sin control solar adecuado.

¿Qué herramientas tiene la ingeniería para reducir la carga térmica de un edificio sin aumentar su consumo eléctrico?

La respuesta está, en gran medida, en la envolvente del edificio: muros, ventanas y techo son la interfaz entre el interior y el exterior. Controlar cómo esa envolvente interactúa con la radiación solar y la radiación térmica es la clave.

../_images/passive_solar_management.png
Figura 2. Estrategias de manejo térmico en la envolvente de edificaciones (Kalogirou, 2014).

En este capítulo nos enfocaremos en cómo la envolvente del edificio afecta las cargas de calefacción, enfriamiento e iluminación.

11.2. Estrategias tradicionales no selectivas#

La estrategia de manejo solar en edificaciones puede ser definida anticipadamente en el diseño arquitectónico, con soluciones de bajo costo, bajo nivel de mantenimiento y larga vida útil. Sin embargo, no son fácilmente modificables una vez construidas y, en la mayoría de los casos, no son selectivas (es decir, afectan por igual a la radiación solar y a la radiación térmica).

11.2.1. Masa térmica y desfase térmico#

La masa térmica es la capacidad de un material de construcción para almacenar calor. Se expresa como el producto \(\rho \cdot c_p\) [J/m³·K]:

../_images/masa_termica_tabla.png
Figura 3. Propiedades térmicas en materiales de construcción típicos.

El desfase térmico describe el retraso con que el calor almacenado es liberado. Un muro de alta masa térmica puede desplazar el peak de temperatura interior varias horas respecto al peak solar exterior:

../_images/thermal_lag.png
Figura 4. Desfase térmico: la masa térmica amortigua y desplaza el peak de temperatura interior respecto al exterior.

Un diseño bien calibrado de masa térmica reduce la amplitud de la oscilación de temperatura interior y puede eliminar completamente la necesidad de climatización en climas templados.

11.2.2. Muro de Trombe#

El muro de Trombe combina masa térmica con captación solar activa. Un muro de concreto pintado de negro oscuro se separa de una superficie de vidrio, formando una cámara de aire que actúa como colector solar.

../_images/trombe_wall.png
Figura 5. Esquema de operación del muro de Trombe en modo calefacción (invierno) y ventilación (verano).

  • Invierno: el calor almacenado en el concreto se libera por convección natural hacia el interior.

  • Verano: persianas externas bloquean la radiación; aperturas superiores expulsan el aire caliente.

  • Orientación: hacia el norte en el hemisferio sur (hacia el sur en el hemisferio norte).

from IPython.display import YouTubeVideo
YouTubeVideo('fwIdRKwiOD4', width=700, height=400)

11.2.3. Orientación y aleros#

La orientación de ventanas al norte (hemisferio sur) maximiza la captación solar en invierno. Los aleros sobre las ventanas permiten un control estacional natural: bloquean el sol de verano (ángulo solar alto) y permiten el sol de invierno (ángulo solar bajo).

../_images/overhangs.png
Figura 6. Configuraciones del alero para (a) zonas alejadas de los polos que requieren bloqueo solar en verano (ángulo solar alto), (b) zonas frias cercanas al polo que requieren maximizar captación en invierno (ángulo bajo).

11.3. Fundamentos de tecnologías de manejo radiativo#

Para entender las estrategias de control térmico en edificaciones, es clave distinguir los actores participantes

Tipo

Fuente aproximada

Rango espectral dominante

¿Qué controlar?

Radiación solar

~5800 K (sol)

0.3 – 2.5 μm (UV, vis, NIR)

Ganancia solar

Radiación térmica edificio

~300 K (paredes, personas)

5 – 30 μm (mid-IR)

Pérdidas en invierno / emisión en verano

Radiación térmica alrededores

~300 K

5 – 30 μm (mid-IR)

Ganancia por radiación difusa

Ventana atmosférica

N/A

8 – 13 μm (mid-IR)

Disipación radiativa hacia el universo
../_images/14a8baa0ad7a5025ad647bb0125f4b901cf9be0f1ceeb96de82ca5f86aff17d3.png

Como muestra la figura controlar la ganancia solar (UV + NIR) y controlar la emisión IR térmica son objetivos distintos que requieren propiedades ópticas distintas. Un material que bloquea el NIR solar no necesariamente refleja el IR térmico de 10 μm, y viceversa.

Aproximando el espectro solar terrestre con el espectro de referencia AM1.5 (ASTM G173/NREL), la energía solar que llega a la superficie se reparte, como orden de magnitud, en:

  • 3% radiación ultravioleta (UV, \(\lambda < 0.38\) μm)

  • 44% luz visible (\(\lambda \in [0.38, 0.78]\) μm)

  • 53% infrarrojo cercano (NIR, \(\lambda \in [0.78, 2.5]\) μm)

Nota: La mayor parte del calor ganado por radiación solar en un recinto proviene del NIR, no del UV.

La atmósfera terrestre es casi transparente en el rango \(\lambda \in [8, 13]\) μm. Esto tiene dos consecuencias importantes:

  1. Los edificios pierden calor por radiación en este rango (noches frías).

  2. Materiales diseñados para emitir en esta banda pueden enfriarse por debajo de la temperatura ambiente, incluso bajo el sol.

11.4. Ventanas y control solar#

Las ventanas son el punto de mayor intercambio radiativo de la envolvente. Un vidrio simple claro tiene alta transmitancia solar, típicamente \(T_\mathrm{sol}\) del orden de 0.75–0.86 según espesor y producto; para estimaciones de primer orden usaremos \(T_\mathrm{sol} \approx 0.86\). Esto genera ganancias de calor no deseadas en verano y pérdidas en invierno.

Los recubrimientos y filmes de control solar modifican la transmitancia espectral del vidrio para reducir estas ganancias y pérdidas de forma selectiva.

11.4.1. Métricas de desempeño#

Para comparar tecnologías de control solar, se usan métricas estandarizadas que resumen el desempeño espectral en un solo número. Las más importantes son:

  • Transmitancia lumínica (\(T_\mathrm{lum}\)): fracción de la luz visible que atraviesa el material, ponderada por la sensibilidad del ojo humano.

    \[\begin{equation*} T_\mathrm{lum} = \frac{\int_{380~\mathrm{nm}}^{780~\mathrm{nm}}T_\lambda\cdot y_\mathrm{CIE}(\lambda)\, d\lambda}{\int_{380~\mathrm{nm}}^{780~\mathrm{nm}}y_\mathrm{CIE}(\lambda)\, d\lambda} \end{equation*}\]

    donde \(y_\mathrm{CIE}(\lambda)\) es la función de eficiencia luminosa fotópica del ojo humano. Un vidrio claro tiene \(T_\mathrm{lum} \approx 88\%\).

  • Ganancia solar (\(T_\mathrm{sol}\), relacionada con el SHGC):

    \[\begin{equation*} T_\mathrm{sol} = \frac{\int_{300~\mathrm{nm}}^{2500~\mathrm{nm}}T_\lambda\cdot I_\mathrm{AM1.5}(\lambda)\, d\lambda}{\int_{300~\mathrm{nm}}^{2500~\mathrm{nm}}I_\mathrm{AM1.5}(\lambda)\, d\lambda} \end{equation*}\]

    El SHGC (Solar Heat Gain Coefficient) incluye además la fracción de energía absorbida y re-irradiada hacia el interior. En este curso usamos \(T_\mathrm{sol}\) como aproximación. Valores bajos de \(T_\mathrm{sol}\) reducen la carga de enfriamiento en verano.

  • Valor U (U-value): coeficiente global de transferencia de calor [W/m²·K]. Mide las pérdidas térmicas totales por conducción y convección, no por radiación.

    \[\begin{equation*} U = \frac{1}{R_\mathrm{total}} = \frac{1}{h_\mathrm{int}^{-1} + \sum_i (d_i/k_i) + h_\mathrm{ext}^{-1}} \end{equation*}\]

    Un valor U bajo implica mejor aislación térmica. Relevante principalmente en climas fríos para reducir pérdidas de calefacción.

  • Emisividad térmica (\(\varepsilon\)): fracción de emisión IR respecto a un cuerpo negro ideal, ponderada en el rango mid-IR (~8–13 μm). Como referencia, el vidrio sin recubrimiento tiene \(\varepsilon \approx 0.84\), mientras que recubrimientos Low-E comerciales pueden bajar a \(\varepsilon \approx 0.02\)–\(0.10\).

  • Reflectancia solar (\(\rho_\mathrm{sol}\)): fracción del espectro solar total reflejado. Métrica principal para techos y superficies opacas.

11.4.2. Recubrimientos Low-E#

Los recubrimientos Low-E (Low Emissivity) son hoy la tecnología de control solar en ventanas más utilizada en el mercado.

../_images/low-E_glass_spectrum.png
Figura 7. Efecto espectral de un recubrimiento Low-E: alta transmitancia visible y bloqueo del NIR solar (Fortemp).

Están diseñados para cumplir dos funciones distintas a la vez:

  1. Bloquear NIR solar (0.7–2.5 μm): reduce la ganancia solar en verano → menor carga de enfriamiento.

  2. Reflejar IR térmico (8–13 μm): reduce las pérdidas por emisión en invierno → menor carga de calefacción.

11.4.2.1. Composición y mecanismo óptico#

Los recubrimientos Low-E consisten en capas nanométricas alternadas de metal (plata) y óxidos dieléctricos (TiO\(_2\), ZnO, SiO\(_2\)), depositadas sobre vidrio.

../_images/low-E_coating_composition.png
Figura 8. Composición multicapa de un recubrimiento Low-E: capas alternadas de plata y óxidos metálicos sobre vidrio (Fortemp).

El mecanismo se basa en interferencia óptica:

  • En el espectro visible: las múltiples capas generan interferencia destructiva de la reflectancia → aumenta la transmitancia → vidrio claro.

  • En el NIR solar (λ > 0.7 μm): el efecto de interferencia desaparece → la plata refleja → bloquea ganancia solar.

  • En el mid-IR térmico (λ > 5 μm): la plata refleja eficientemente → baja emisividad → reduce pérdidas invernales.

../_images/low-E_coating_spectrum.png
Figura 9. Transmitancia espectral de una ventana con recubrimiento Low-E: alta en el visible, reducida en el NIR solar (JinJing Glass).

11.4.2.2. Tipos de fabricación#

Tipo

Proceso

Durabilidad relativa

Ventajas

Limitaciones

Hard-coat (pirólisis)

CVD durante la fabricación del vidrio, a alta temperatura

Alta; queda químicamente integrado al vidrio

Resistente a manipulación; puede quedar expuesto en ciertas configuraciones

Menor selectividad espectral que muchos soft-coats modernos

Soft-coat (sputtering magnético)

Post-fabricación; se sella normalmente dentro de una unidad de vidrio aislante (IGU)

Alta si queda encapsulado

Múltiples capas; alta selectividad visible/NIR; estándar en alto desempeño

Delicado antes del ensamblaje; requiere IGU para proteger el coating

Film polimérico (PET tintado, metalizado, cerámico o selectivo)

Lámina aplicada sobre vidrio existente, interior o exterior

Depende de exposición UV, humedad, limpieza e instalación

Retrofit; no requiere reemplazar la ventana

Puede degradarse o delaminarse; puede producir estrés térmico si se instala en vidrio inadecuado

Fuentes: NREL Window Film (2024); DOE Energy Saver; NREL Pathway to Zero Energy Windows (2022).

11.4.2.3. Análisis teórico#

Simularemos un recubrimiento Low-E con tres bi-capas de plata (8 nm) y TiO\(_2\) (30 nm) sobre vidrio, y calcularemos \(T_\mathrm{lum}\) y \(T_\mathrm{sol}\).

import empylib.nklib as nk
import empylib.waveoptics as wv
import empylib.ref_spectra as rf
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.ticker import FuncFormatter

# inicializamos índices de refracción y espectro
lam = np.linspace(0.3,3.0,1000)  # espectro de longitudes de onda (um)
n_air    = 1.0                   # índice de refracción del aire
n_glass  = nk.SiO2(lam)          # vidrio (SiO2)
n_silver = nk.silver(lam)        # plata
n_mox    = nk.TiO2(lam)          # óxido metálico (TiO2)
d_silver = 0.008                 # espesor capa de plata (um)
d_mox    = 0.030                 # espesor capa de TiO2 (um)

# construimos estructura multicapas (3 bi-capas Ag/TiO2)
n_layers = 3
n_lowE = [n_glass]
d_lowE = []
for i in range(n_layers):
    n_lowE.append(n_silver)
    n_lowE.append(n_mox)
    d_lowE.append(d_silver)
    d_lowE.append(d_mox)
n_lowE.append(n_air)

# calculamos reflectancia y transmitancia
R, T = wv.multilayer(lam, aoi=0, N_layers=n_lowE[1:-1], thickness=d_lowE,
                      N_above=n_lowE[0], N_below=n_lowE[-1])[:2]

# gráfico
fig, ax1 = plt.subplots(figsize=(10, 3))
ax1.plot(lam, R, '-r', label='Reflectancia')
ax1.plot(lam, T, '-b', label='Transmitancia')
ax1.plot(lam, 1 - R - T, '-k', label='Absortancia')
ax1.legend(frameon=False)

ax2 = ax1.twinx()
ax2.fill_between(lam, rf.AM15(lam)/1000, color='y', alpha=0.2, lw=0, label='AM 1.5')
ax2.fill_between(lam, rf.yCIE_lum(lam),  color='g', alpha=0.2, lw=0, label=r'$y_\mathrm{CIE}$')

ax1.set_xlabel(r'Longitud de onda ($\mu$m)')
ax1.set_xscale('log')
ax1.set_xticks([0.3, 0.4, 0.6, 0.75, 1.4, 2, 3])
ax1.set_xlim(lam[0], lam[-1])
ax1.set_ylim(0, 1)
ax2.set_ylim(bottom=0)
ax1.set_title('Simulación recubrimiento Low-E (3 bi-capas Ag/TiO₂)')
ax2.set_yticks([])
ax2.legend(frameon=False)
ax1.xaxis.set_major_formatter(FuncFormatter(lambda y, _: '{:.16g}'.format(y)))
plt.show()
../_images/95ad6f084b0afee48f3a0f497e198649f432af5fa089842b9338d4edeb8ea3d3.png

Desempeño del recubrimiento simulado

Calculamos \(T_\mathrm{lum}\) y \(T_\mathrm{sol}\) integrando la transmitancia espectral con los pesos correspondientes:

# Transmitancia lumínica (visible, ponderada por y_CIE)
Tlum = np.trapz(rf.yCIE_lum(lam)*T, lam) / np.trapz(rf.yCIE_lum(lam), lam) * 100
print('Transmitancia lumínica: %.1f%%' % Tlum)

# Ganancia solar (solar, ponderada por AM1.5)
Tsolar = np.trapz(rf.AM15(lam)*T, lam) / np.trapz(rf.AM15(lam), lam) * 100
print('Ganancia solar (T_sol): %.1f%%' % Tsolar)

Transmitancia lumínica: 73.1%
Ganancia solar (T_sol): 46.6%

El recubrimiento simulado corresponde a una clasificación 73/47 (\(T_\text{lum}\)/G-solar): mantiene 73% de transmitancia visible pero reduce la ganancia solar al 47%.

En la industria, la notación T-vis/G-solar indica exactamente este balance. La siguiente tabla muestra datos técnicos reales del fabricante IQ Glass:

Clasificación

T-vis (\(T_\mathrm{lum}\))

G-solar (\(T_\mathrm{sol}\))

Reflectancia exterior

70 / 37

70%

36%

11%

70 / 41

70%

41%

11%

62 / 34

62%

34%

15%

51 / 28

51%

28%

12%

Nota: Reducir \(T_\mathrm{sol}\) inevitablemente afecta \(T_\mathrm{lum}\): existe un trade-off entre bloquear la ganancia solar y mantener la transparencia visual. Los vidrios más selectivos minimizan este trade-off.

11.4.2.4. Soft-coat low-E glass#

El siguiente video muestra el proceso de fabricación de un vidrio Low-E con método soft-coat:

from IPython.display import YouTubeVideo
YouTubeVideo('p9H0ahGVRMM', width=700, height=400)

11.4.2.5. Filmes poliméricos#

Los filmes de control solar son láminas delgadas —generalmente de polímero PET con recubrimientos metálicos o cerámicos— que se adhieren directamente sobre ventanas existentes. Son la solución de retrofit más accesible para edificios ya construidos.

Los filmes de control solar se clasifican mejor por su función óptica y constructiva. NREL (2024) identifica, entre otros, los siguientes tipos:

Tipo

Mecanismo principal

Uso típico

Observaciones

Reflectivo

Refleja parte de la radiación solar; aspecto espejo

Alta reducción de ganancia solar y deslumbramiento

Puede aumentar reflectancia visible exterior

Dual-reflective

Capa exterior más reflectiva y cara interior más neutra

Control solar manteniendo mejor vista nocturna

Compromiso entre privacidad, estética y control solar

Neutral

Control solar con apariencia menos visible

Retrofit con menor impacto estético

La reducción de SHGC depende del producto

Low-E film

Reduce U-factor y mejora rechazo térmico

Climas templados o ventanas existentes con pérdidas térmicas

Puede ayudar más en invierno que un film solo reflectivo

Espectralmente selectivo

Bloquea bandas asociadas a calor solar sin penalizar tanto la luz visible

Fachadas donde se busca luz natural y bajo SHGC

Suele ser la opción más atractiva cuando se quiere conservar transparencia

Cerámico

Control solar sin capa metálica

Zonas costeras o donde importa corrosión/RF

Baja reflectancia visible y buena estabilidad

Fuente: NREL End-Use Savings Shapes Measure Documentation: Window Film (2024).

Las ventajas de estos filmes de control solar incluyen:

  • Retrofit: no requiere reemplazar las ventanas existentes → costo mucho menor que cambiar el sistema completo de ventana.

  • Puede reducir SHGC y deslumbramiento en edificios existentes.

  • Puede disminuir la exposición UV de mobiliario, textiles y superficies interiores.

  • Es especialmente útil en climas con temporadas largas de enfriamiento; en climas fríos puede reducir también la ganancia solar útil de invierno.

Por otro lado, las limitaciones incluyen:

  • Vida útil más corta que un Low-E integrado en vidrio doble (ver tabla).

  • Degradación por UV, humedad y ciclos térmicos; riesgo de delaminación y burbujas.

  • Un film absorbente puede calentar el vidrio y causar stress térmico (riesgo de fractura en vidrios con marco metálico).

  • En climas con invierno frío, reducir \(T_\mathrm{sol}\) también reduce la ganancia solar útil en invierno.

  • Instalación profesional recomendada para maximizar durabilidad.

11.4.2.6. Durabilidad y condiciones de uso#

La documentación DOE/NREL no entrega una vida útil universal para todos los filmes o coatings, porque depende del producto, instalación y exposición. Para seleccionar una solución conviene distinguir el mecanismo de degradación dominante:

Tecnología

Factor crítico

Comentario de diseño

Film interior

Temperatura del vidrio, humedad, adhesivo, limpieza

Menor exposición que un film exterior, pero puede elevar temperatura del vidrio

Film exterior

UV, lluvia, abrasión, sales, limpieza

Puede mejorar desempeño solar en ciertos casos, pero exige mayor mantención

Low-E soft-coat en IGU

Sellado perimetral y protección del coating

El coating debe quedar protegido dentro de la cámara

Low-E hard-coat

Resistencia superficial y compatibilidad con instalación

Más robusto a manipulación, con menor selectividad que soft-coat

Electrocrómico

ciclos de switching, uniformidad, sellado, control

DOE menciona normas ASTM de envejecimiento acelerado para validar durabilidad

Fuentes: NREL Window Film (2024); DOE EC Window Report (2022/2023); DOE Energy Saver.

11.4.3. Ventanas inteligentes#

Los recubrimientos Low-E y los filmes de control solar tienen propiedades fijas: funcionan igual en verano que en invierno. Las ventanas inteligentes (switchable glazing) van más allá: pueden cambiar sus propiedades ópticas en respuesta a un estímulo, adaptándose a las condiciones del momento.

Dependiendo de la aplicación, una ventana inteligente puede ser diseñada para regular el paso de la radiación solar visible, UV o del infrarrojo cercano (NIR).

Distinguimos dos tipos:

  • termocrómicas responden a cambios de temperatura

  • eléctrocrómicas responden a cambios en el potencial eléctrico (voltaje).

../_images/g-smart-window-types-alt.jpg
Figura 10. Tipos de ventanas inteligentes y su principio de operación (ENERGY STAR).

11.4.3.1. Materiales electrocrómicos#

Entre las ventanas inteligentes, los electrocrómicos (EC) son actualmente la tecnología con mayor penetración comercial en edificaciones.

Una ventana electrocrómicas consiste en un vidrio doble con una estructura multicapa activa:

\[\mathrm{vidrio} \;|\; \underbrace{\mathrm{ITO}}_{\text{electrodo}} \;|\; \underbrace{\mathrm{WO_3}}_{\text{capa EC}} \;|\; \underbrace{\text{conductor iónico}}_{\text{electrolito}} \;|\; \underbrace{\mathrm{NiO}}_{\text{contraelectrodo}} \;|\; \underbrace{\mathrm{ITO}}_{\text{electrodo}} \;|\; \mathrm{vidrio}\]

Al aplicar un voltaje de 1–5 V DC, iones \(\text{Li}^+\) en el electrolito se intercalan en la capa de \(\text{WO}_3\), cambiando su estado de oxidación:

\[\begin{equation*} \mathrm{WO_3~(transparente)} + x\,\mathrm{Li}^+ + x\,e^- \;\rightleftharpoons\; \mathrm{Li}_x\mathrm{WO_3~(azulado, absorbente)} \end{equation*}\]

El proceso es reversible y el estado tintado puede mantenerse con bajo consumo eléctrico. Como referencia de diseño, NREL (2022) plantea para ventanas dinámicas un objetivo de baja potencia de operación: menor que 3 W/m², o menor que 72 Wh/m² por día, con alimentación de bajo voltaje (3–5 V DC).

11.4.3.2. Capacidad de modulación#

Una ventana EC no tiene un único valor de desempeño: varía entre un estado claro y uno tintado. Como referencia de diseño:

  • NREL (2022) usa para ventanas dinámicas de alto desempeño un rango operativo de SHGC de aproximadamente 0.05–0.65.

  • IEA (Innovation Gaps: Buildings) identifica como prioridad desarrollar vidrios dinámicos con SHGC variable de aproximadamente 0.08–0.65.

  • Revisiones recientes de ventanas inteligentes señalan que, para aplicaciones reales en edificios, son deseables alta transmitancia visible en estado claro, contraste claro/oscuro suficiente, switching de minutos y estabilidad de largo plazo.

Esto permite controlar tanto el deslumbramiento como la ganancia solar, pero siempre existe un balance con luz natural, confort visual, color residual y estrategia de control.

11.4.3.3. Beneficios en edificaciones#

  1. Confort visual: elimina el deslumbramiento sin necesidad de persianas mecánicas.

  2. Reducción de carga de enfriamiento: SHGC controlable según la hora y el clima.

  3. Gestión de demanda eléctrica: reducir ganancia solar en horas de pico eléctrico puede aliviar la red.

  4. Sin piezas móviles: no requiere mantenimiento mecánico.

  5. Integración con automatización: puede programarse según orientación, hora del día, sensores de irradiación o comandos del ocupante.

Los beneficios energéticos medidos dependen fuertemente del edificio y del algoritmo de control.

  • El DOE EC Window Report resume casos reales: en un caso de sala de reuniones se estimaron 39–48% de ahorros combinados de iluminación y HVAC

  • En un edificio GSA en Portland se reportó 36% menos demanda anual de iluminación, aunque el HVAC anual aumentó levemente en horario laboral

  • en estudios de vidrios cromogénicos controlados se estiman reducciones de 10–20% en energía de HVAC+iluminación de zonas perimetrales y 20–30% en demanda eléctrica peak.

11.4.3.4. Limitaciones reales#

Limitación

Evidencia / criterio de diseño

Costo

DOE identifica el costo como una barrera importante de adopción; NREL formula metas de reducción de costo para hacer viables ventanas dinámicas hacia 2030

Velocidad de switching

DOE señala tiempos de cambio relativamente largos; NREL plantea como meta menos de 3 min para ventanas grandes, pero muchas tecnologías reales son más lentas

Color residual

DOE menciona preferencia de usuarios por tonos neutros y apariencia uniforme

Control

El ahorro depende del algoritmo: minimizar HVAC, iluminación y deslumbramiento son objetivos que pueden entrar en conflicto

Durabilidad

Existen ensayos ASTM de envejecimiento acelerado; revisiones técnicas consideran deseable sostener desempeño por 20–30 años o decenas de miles de ciclos, pero eso no equivale a garantía universal

Instalación

Requiere integración eléctrica, sensores o BMS cuando se busca control automático

Criterio ingenieril: el costo de los electrocrómicos se justifica principalmente en fachadas vidriadas de edificios de oficinas en climas cálidos, donde el confort visual y la reducción de carga de enfriamiento generan retorno de inversión. En viviendas con presupuesto limitado, un Low-E de alta calidad en doble vidrio es más costo-efectivo.

11.4.3.5. Materiales termocrómicos#

Las ventanas termocrómicas responden a cambios de temperatura sin necesidad de electricidad.

../_images/smart_windows_closing.jpg
Figura 11. Operación estacional de ventanas termocrómicas: bloqueo del NIR en verano y captación en invierno (Khandelwal, H. et al., Adv. Energy Mater. 7(14), 2017).

El material más estudiado es el dióxido de vanadio (VO\(_2\)). Este material exhibe una transición de fase aislante-conductor que altera drásticamente sus propiedades ópticas en el NIR:

  • Por debajo de \(T_\mathrm{trans}\) (fase aislante): alta transmitancia NIR → permite ganancia solar.

  • Por encima de \(T_\mathrm{trans}\) (fase conductora): alta reflectancia NIR → bloquea ganancia solar.

../_images/vanadium_dioxide.png
Figura 12. (izquierda) Transición de fase en VO₂ y su efecto en la reflectancia espectral. (derecha) Cambio en la estructura cristalina del VO₂ de monoclínico (M) a rutilo (R) inducida por cambio de fase y sus implicaciones en la conductividad eléctrica (Wu, C et al., Chem. Soc. Rev. 42(12), 2013: 5157–5183).

La temperatura de transición intrínseca del VO\(_2\) es cercana a 68–70°C, demasiado alta para confort en edificios. Puede reducirse hacia rangos cercanos a temperatura ambiente mediante dopaje (por ejemplo W o Mo), aunque esto puede afectar transmitancia visible, histéresis, durabilidad o modulación solar.

Las ventanas \(\text{VO}_2\) se fabrican como una capa delgada depositada sobre vidrio, o como partículas dispersas en un polímero transparente:

../_images/vo2_smart_windows.png
Figura 13. Diseños a escala laboratorio de recubrimientos termocrómicos de VO₂ y modulación de transmitancia medida en espectrofotómetro UV-vis-NIR.

El desempeño se cuantifica mediante:

  • \(T_\mathrm{lum}\): debe ser alto en ambas fases para ser útil visualmente.

  • \(\Delta T_\mathrm{sol} = T_\mathrm{sol}^\mathrm{frío} - T_\mathrm{sol}^\mathrm{caliente}\): modulación de ganancia solar. En prototipos de ventanas inteligentes, una modulación de varios puntos porcentuales ya es relevante; valores sobre ~10% son atractivos solo si se mantienen buena transparencia, color aceptable y durabilidad.

Además del VO\(_2\) existen otros materiales estudiados en ventanas inteligentes, tales como los hidrogeles y las perovskitas.

../_images/smart-window_table.png
Figura 14. Comparación de transmitancia lumínica (Tlum) y modulación solar (DTsol) para distintos materiales de ventanas inteligentes.

El mercado de ventanas inteligentes para edificaciones está dominado por electrocrómicos. Los recubrimientos termocrómicos de VO\(_2\) siguen más cerca de I+D o nichos específicos porque muchos prototipos sacrifican una o más variables críticas:

  • Temperatura de transición difícil de ubicar exactamente en el rango útil.

  • Transmitancia visible y color no siempre compatibles con confort visual.

  • Histéresis, oxidación y estabilidad de largo plazo aún desafiantes.

11.4.4. Analisis comparativos de tecnologías#

Tecnología

Estímulo

¿Eléctrica?

Espectro modulado

Madurez comercial

Ventajas

Limitaciones

Low-E (referencia)

— (fijo)

No

NIR solar + IR térmico

Muy madura

Bajo costo relativo; sin control activo

No modulable

Film control solar

— (fijo)

No

NIR + visible, según film

Madura

Retrofit; evita reemplazo completo

Desempeño y durabilidad dependen del producto/base

Electrocrómico

Voltaje DC

Sí

Visible + NIR

Comercial disponible

Control preciso; posible integración con BMS; reduce deslumbramiento

Costo; switching; control necesario

Termocróm. VO₂

Temperatura

No

NIR solar

I+D / nicho

Pasivo; sin cableado

T de transición, color, \(T_\mathrm{lum}\) y durabilidad

Fuentes: DOE EC Window Report (2022/2023); LBNL EC Fact Sheet; NREL Pathway to Zero Energy Windows (2022); Wu et al. (2023).

La tabla resume rangos orientativos para análisis de curso. Para especificación de proyecto se deben usar fichas NFRC/IGDB o datos del fabricante, porque \(T_\mathrm{lum}\), SHGC, U-value y emisividad dependen del espesor, cámara de aire, gas, marco y coating.

Tecnología

\(T_\mathrm{lum}\) / VLT

\(T_\mathrm{sol}\) / SHGC

U-value [W/m²K]

\(\varepsilon\) IR

Vidrio simple claro

~80–90%

~0.75–0.86

~5.6–6.0

~0.84

Vidrio doble claro (sin coating)

~70–80%

~0.65–0.75

~2.7–3.0

~0.84

Low-E soft-coat (IGU)

~60–75%

~0.25–0.45

~1.0–1.8

~0.02–0.10

Film de control solar

depende del producto

NREL reporta reducciones de SHGC de 17–71% respecto al vidrio base

mejora de U-factor 0–22%

depende del film

Vidrio dinámico / electrocrómico

variable claro–oscuro

NREL/IEA usan rangos dinámicos objetivo ~0.05–0.65

similar al IGU base

depende del stack

Fuentes: NREL Pathway to Zero Energy Windows (2022); NREL Window Film (2024); IEA Innovation Gaps: Buildings – Advanced windows; DOE EC Window Report (2022/2023).

11.5. Recubrimientos de enfriamiento radiativo pasivo#

Las tecnologías de enfriamiento radiativo buscan que las superficies de un edificio emitan más calor del que reciben, reduciendo la temperatura superficial y aliviando la carga de los sistemas de aire acondicionado.

11.5.1. El balance radiativo de una superficie#

Una superficie en el exterior intercambia energía de las siguientes formas:

\[\begin{equation*} P_\mathrm{neto} = \underbrace{P_\mathrm{emit}}_{\text{emisión IR}} - \underbrace{P_\mathrm{atm}}_{\text{recibido de atm.}} - \underbrace{\alpha_\mathrm{sol}\cdot G_\mathrm{solar}}_{\text{absorbido solar}} - \underbrace{P_\mathrm{conv}}_{\text{ganancia convectiva}} \end{equation*}\]

Para que la superficie se enfríe (\(P_\mathrm{neto} > 0\)), se necesita:

  1. Alta emisividad en la ventana atmosférica (8–13 μm) para maximizar \(P_\mathrm{emit}\).

  2. Alta reflectancia solar para minimizar \(\alpha_\mathrm{sol} \cdot G_\mathrm{solar}\).

El fenómeno también depende de las condiciones externas, cielo despejado, baja humedad, baja temperatura de la atmósfera, y factor de vista al cielo. En condiciones desfavorables, el efecto puede ser nulo.

11.5.2. Solar Refractive Index (SRI)#

ASTM E1980 define SRI comparando la temperatura superficial de un material con un blanco estándar y un negro estándar bajo condiciones normalizadas.

  • El blanco estándar tiene reflectancia solar 0.80, emisividad térmica 0.90 y SRI = 100

  • El negro estándar tiene reflectancia solar 0.05, emisividad 0.90 y SRI = 0.

../_images/SRI_illustration.png
Figura 15. Cargas térmicas consideradas en el cálculo del SRI (Understanding the solar reflectance index, Cool Roof Rating Council, 2024)

11.5.3. Primera generación: cool roofs#

Los cool roofs (techos fríos) son la tecnología más madura del enfriamiento radiativo. El principio es simple: aumentar la reflectancia solar del techo para reducir la energía absorbida.

Un buen cool roof tiene SRI > 78

Impacto medido:

  • Reducción de temperatura superficial: DOE Energy Saver reporta que, bajo las mismas condiciones, un techo reflectivo puede mantenerse más de 50°F (28°C) más frío que un techo convencional.

  • Reducción de demanda peak de enfriamiento: EPA reporta 11–27% en edificios residenciales acondicionados.

  • Reducción de temperatura interior máxima: EPA reporta 1.2–3.3°C en viviendas sin aire acondicionado.

  • Reducción del efecto isla de calor urbana cuando se implementa a escala.

Estado comercial: tecnología completamente madura. Pinturas reflectantes blancas, membranas TPO y tejas reflectantes están disponibles en el mercado estándar de construcción.

11.5.4. Segunda generación: enfriamiento radiativo diurno pasivo (PDRC)#

Los materiales de enfriamiento radiativo diurno pasivo (Passive Daytime Radiative Cooling, PDRC) van más allá del cool roof convencional:

  1. Alta reflectancia solar (\(\rho_\mathrm{sol} > 0.90\)–\(0.97\)): minimiza \(\alpha_\mathrm{sol} \cdot G_\mathrm{solar}\).

  2. Alta emisividad selectiva en la ventana atmosférica (8–13 μm): maximiza \(P_\mathrm{emit}\) hacia el espacio.

Esto equivale a SRI > 100

Cuando estas condiciones se cumplen, la potencia de enfriamiento neta puede ser positiva incluso bajo irradiación solar directa:

\[\begin{equation*} P_\mathrm{cool} = P_\mathrm{emit}(8\text{–}13\,\mu\mathrm{m}) - P_\mathrm{atm}(8\text{–}13\,\mu\mathrm{m}) - \alpha_\mathrm{sol}\cdot G_\mathrm{solar} - P_\mathrm{conv} > 0 \end{equation*}\]

El universo actúa como sumidero térmico: el material puede alcanzar temperaturas por debajo de la temperatura ambiente a plena luz del día.

11.5.4.1. PDRC en la naturaleza: las hormigas de plata del Sahara#

Un ejemplo natural de PDRC es la hormiga plateada del Sahara (Cataglyphis bombycina).

../_images/silver_ants.png
Figura 16. Hormiga de plata del Sahara (Cataglyphis bombycina): su coloración plateada resulta de las propiedades ópticas selectivas de sus pelos.

Sus pelos crean efectos de scattering para longitudes de onda corta, aumentando selectivamente la reflectancia en el visible, lo que les da el característico color plateado.

../_images/silver_ants_scattering.png
Figura 17. Mecanismo de scattering en los pelos de la hormiga de plata: alta reflectancia en el espectro visible y emisión eficiente en el IR térmico.

11.5.4.2. Materiales PDRC artificiales#

Artificialmente, el fenómeno se reproduce con polímeros porosos. La porosidad —inducida mediante separación de fases— crea microestructuras que dispersan la radiación solar (alta reflectancia en UV-vis-NIR) y emiten eficientemente en el IR térmico.

../_images/radiative_cooling_film.png
Figura 18. Film polimérico poroso P(VdF-HFP) para enfriamiento radiativo pasivo diurno: alta reflectancia solar y emisividad térmica elevada en la ventana atmosférica.

El estudio de Mandal et al. (Science, 2018) demuestra un recubrimiento polimérico poroso con \(\rho_\mathrm{sol} > 0.96\) y emisividad térmica hemisférica cercana a 0.97, logrando enfriamiento subambiente de alrededor de 6°C bajo radiación solar directa en sus ensayos. Esta es la fuente correcta del DOI 10.1126/science.aat9513; no corresponde a Zhai et al.

Los materiales PDRC se pueden formular como pinturas, láminas adhesivas, ropa y materiales estructurales:

../_images/radiative_cooling_format.png
Figura 19. Formatos de aplicación de materiales PDRC: pinturas, láminas adhesivas, ropa y materiales estructurales.

Estado comercial: tecnología emergente. Ya existen empresas y pilotos comerciales de enfriamiento radiativo, pero el desempeño real depende del clima, factor de vista al cielo, ensuciamiento, integración constructiva y costo. SkyCool Systems es un ejemplo de aplicación comercial en paneles de enfriamiento radiativo para usos industriales:

from IPython.display import YouTubeVideo
YouTubeVideo('CMaZfuInd9c', width=700, height=400)

11.6. Limitaciones reales y selección climática#

No existe tecnología universal. La selección depende del clima local, el tipo de edificio y el balance anual de cargas.

Para Low-E y filmes de control solar

  • En climas cálidos sin invierno frío: priorizar bajo \(T_\mathrm{sol}\) (SHGC). La pérdida de ganancia solar en invierno tiene poca importancia.

  • En climas con invierno frío: buscar balance entre bajo SHGC (verano) y bajo U-value (invierno). Un Low-E soft-coat en doble vidrio es la solución más versátil.

Para electrocrómicos

  • La inversión se justifica principalmente en fachadas vidriadas de oficinas en climas cálidos, donde el confort visual y la reducción de pico de demanda son críticos.

  • En viviendas con presupuesto limitado, un Low-E de calidad es más costo-efectivo.

Para enfriamiento radiativo (cool roofs y PDRC)

Las siguientes condiciones reducen o anulan el efecto de enfriamiento radiativo:

  1. Alta humedad relativa: el vapor de agua absorbe radiación dentro y alrededor de la ventana atmosférica 8–13 μm → menor enfriamiento efectivo.

  2. Alta nubosidad: las nubes actúan como cuerpos emisores a temperatura cercana a la ambiente → reducen la vista radiativa al cielo frío.

  3. Contaminación y smog: absorción y dispersión adicional en el IR atmosférico.

  4. Fachadas verticales: factor de vista al cielo bajo; el beneficio es marginal vs techo horizontal.

  5. Polvo y ensuciamiento: degradan la reflectancia solar → mantenimiento periódico necesario.

  6. Entornos urbanos densos: baja visión de cielo; radiación IR de edificios vecinos calienta la superficie.

11.6.1. Caso Chile: norte seco vs zona central vs sur húmedo#

En Chile, la diversidad climática —desde el desierto de Atacama hasta la Patagonia— implica que las soluciones no son universales. Los valores de las tablas siguientes son órdenes de magnitud para discusión de diseño, basados en datos de irradiación usados en la Unidad 7/Explorador Solar y en resúmenes climatológicos de la Dirección Meteorológica de Chile; para diseño ejecutivo se debe usar un archivo climático local o mediciones del sitio.

Comparemos tres zonas representativas usando los criterios de la sección anterior:

11.6.1.1. Antofagasta / Copiapó — Norte árido#

  • Ventana atmosférica: muy favorable en interior seco y despejado → PDRC muy efectivo.

  • En costa con camanchaca o nubosidad baja, el desempeño PDRC debe evaluarse con datos locales.

  • Radiación solar altísima y carga de enfriamiento alta → Low-E y filmes altamente recomendados.

  • Cool roofs: muy efectivos → reducciones de temperatura superficial del orden de 25–30°C son coherentes con DOE para techos reflectivos vs convencionales.

  • Electrocrómicos: justificados en edificios comerciales o de alta demanda de enfriamiento.

  • Inviernos benignos → la pérdida de ganancia solar suele ser menos crítica que en climas de calefacción dominante.

Variable

Valor típico / criterio

Irradiación solar (GHI)

~2 400–2 600 kWh/m²/año en zonas de alto recurso (datos Unidad 7 / Explorador Solar)

Humedad relativa

Baja en interior árido; la costa de Antofagasta puede tener HR más alta por camanchaca

Nubosidad anual

Muy baja en interior; mayor presencia de nubosidad baja en costa

Contaminación

Baja a moderada, según ciudad y cercanía industrial

Tecnología prioritaria: Low-E de bajo SHGC + PDRC en techos.

11.6.1.2. Santiago — Clima mediterráneo#

  • PDRC: efectivo en verano (cielo claro, baja HR); limitado en invierno (nubosidad, smog, mayor HR).

  • Materiales adaptativos (TARC): serían ideales para el ciclo verano/invierno de Santiago.

  • Low-E con balance SHGC/U-value: solución más robusta para viviendas.

  • Cool roofs: efectivos en verano.

  • Electrocrómicos: justificados en edificios de oficinas con fachada vidriada (Providencia, Las Condes).

Variable

Valor típico / criterio

Irradiación solar (GHI)

~1 700–1 900 kWh/m²/año

Humedad relativa media

Moderada; mayor en invierno que en verano

Nubosidad anual

Veranos soleados; inviernos más nublados

Contaminación

Alta en episodios invernales de estabilidad atmosférica

Tecnología prioritaria: Low-E de balance (SHGC ~0.35–0.45, U bajo según presupuesto y marco) + cool roof en techos planos industriales o edificios.

11.6.1.3. Puerto Montt / Valdivia — Sur lluvioso#

  • PDRC: muy limitado por humedad y nubosidad → el efecto de enfriamiento es mínimo.

  • Cool roofs: beneficio reducido; la calefacción domina sobre el enfriamiento.

  • Low-E: relevante principalmente para reducir pérdidas térmicas (bajo U-value, no bajo SHGC).

  • Electrocrómicos y filmes: poca justificación económica dado el bajo potencial de enfriamiento.

Variable

Valor típico / criterio

Irradiación solar (GHI)

~1 000–1 200 kWh/m²/año

Humedad relativa media

Alta

Nubosidad anual

Alta durante gran parte del año

Precipitación

Alta, frecuentemente del orden de miles de mm/año según localidad

Tecnología prioritaria: doble vidrio + Low-E hard-coat (bajo U-value) para retención de calor; masa térmica alta en muros para suavizar fluctuaciones.

En síntesis, no hay una tecnología universal. En el norte árido, la prioridad es bloquear la ganancia solar y aprovechar el enfriamiento radiativo. En el sur húmedo, la prioridad es conservar el calor. Santiago requiere un balance estacional que los materiales adaptativos podrían resolver en el futuro.

11.6.2. Guía de selección de tecnología#

Escenario

Tecnología recomendada

Alternativa

Razón principal

Edificio nuevo en clima cálido seco

Low-E soft-coat (bajo SHGC) + Cool roof

Electrocrómico en fachadas vidriadas

Máxima reducción de carga de enfriamiento; robusto y sin mantenimiento

Retrofit barato

Film espectralmente selectivo (interior)

—

Bajo costo; no requiere reemplazar ventanas

Fachada vidriada con deslumbramiento

Electrocrómico

Film (sin control dinámico)

Control preciso de \(T_\mathrm{lum}\) y SHGC; elimina necesidad de persianas

Vivienda con invierno frío y verano caluroso

Low-E balance + doble vidrio (U bajo)

Film + masa térmica

Reduce pérdidas en invierno y ganancia en verano

Techo industrial en zona seca

PDRC (pintura o lámina) sobre cool roof

Cool roof blanco simple

Máximo efecto radiativo; bajo costo de pintura

Zona húmeda/nublada

Masa térmica + Low-E (U-value bajo)

Cool roof (beneficio parcial)

PDRC tiene impacto limitado; priorizar aislación

11.6.3. Estado de madurez de las tecnologías#

Tecnología

Estado actual

Observación

Cool roofs

Completamente madura

Disponible en el mercado estándar de construcción

Low-E (hard-coat y soft-coat)

Completamente madura

Estándar en ventanas de alto desempeño

Filmes de control solar

Madura

Ampliamente disponibles; desempeño depende del vidrio base y del producto

Electrocrómicos

Comercial disponible

Barreras de costo y control; ideal para edificios con fachadas vidriadas y alto valor de confort visual

Termocrómicos VO₂

I+D / nicho

Sin solución comercial robusta y masiva aún

PDRC (pinturas y láminas)

Emergente / primeras aplicaciones comerciales

Prometedor en climas secos y despejados; sensible a humedad, nubosidad y ensuciamiento

Materiales adaptativos (TARC)

I+D

Muy prometedores para evitar sobreenfriamiento, pero aún no comerciales

11.7. Referencias#

  1. IEA. Energy Efficiency 2025 – Buildings Chapter. International Energy Agency, 2025. https://www.iea.org/reports/energy-efficiency-2025/buildings

  2. IEA. Buildings. International Energy Agency, sector tracking page. https://www.iea.org/reports/buildings

  3. IEA. The Future of Cooling. International Energy Agency, 2018. https://www.iea.org/reports/the-future-of-cooling

  4. IEA. Innovation Gaps: Buildings – Advanced Windows. https://www.iea.org/reports/innovation-gaps/buildings

  5. U.S. DOE. Better Windows, Better Outcomes: How Electrochromics Improve Health, Productivity, and Efficiency. Building Technologies Office, 2022/2023. https://www.energy.gov/sites/default/files/2023-12/bto-electrochromic-window-report-121123.pdf

  6. LBNL Windows Group. Electrochromic Windows Fact Sheet. Lawrence Berkeley National Laboratory. https://windows.lbl.gov/sites/default/files/EC-Windows-FactSheet_v9.pdf

  7. Kim, J.; CaraDonna, C.; Parker, A. End-Use Savings Shapes Measure Documentation: Window Film. NREL/TP-5500-86554, 2024. https://doi.org/10.2172/2447836

  8. U.S. DOE / NREL. Pathway to Zero Energy Windows: Advancing Technologies and Market Adoption. 2022. https://docs.nrel.gov/docs/fy22osti/80171.pdf

  9. U.S. DOE Energy Saver. Energy Efficient Window Coverings – Window Films. https://www.energy.gov/energysaver/energy-efficient-window-coverings

  10. U.S. EPA. Using Cool Roofs to Reduce Heat Islands. https://www.epa.gov/heatislands/using-cool-roofs-reduce-heat-islands

  11. U.S. DOE Energy Saver. Cool Roofs. https://www.energy.gov/energysaver/cool-roofs

  12. NREL. Reference Air Mass 1.5 Spectra / ASTM G173. https://www.nrel.gov/grid/solar-resource/spectra-am1.5

  13. Wu, S. et al. Applications of thermochromic and electrochromic smart windows: Materials to buildings. Cell Reports Physical Science 4, 101370, 2023. DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101370

  14. Wang, X.; Narayan, S. Thermochromic Materials for Smart Windows: A State-of-Art Review. Frontiers in Energy Research 9, 800382, 2021. DOI: 10.3389/fenrg.2021.800382

  15. Mandal, J. et al. Hierarchically porous polymer coatings for highly efficient passive daytime radiative cooling. Science 362(6412), 315–319, 2018. DOI: 10.1126/science.aat9513

  16. Tang, K. et al. Temperature-adaptive radiative coating for all-season household thermal regulation. Science 374(6574), 1504–1509, 2021. DOI: 10.1126/science.abf7136

  17. Ministerio de Energía de Chile. Explorador Solar. https://solar.minenergia.cl

  18. Dirección Meteorológica de Chile. Servicios climáticos y resúmenes climatológicos. https://climatologia.meteochile.gob.cl

  19. Kalogirou, S.A. Chapter 6: Solar space heating and cooling. En Solar Energy Engineering: Processes and Systems, 2nd Ed., Academic Press, 2014.

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