Confort Térmico

CONFORT TÉRMICO

Edificios y confort Edificio: Edificio : refugio del hombre para su privacidad y bienestar. Intercambio de masa y energía con el entorno La energía para las funciones vitales (trabajo muscular, conservación de energía, construcción de tejidos) se obtiene de las reacciones metabólicas que son exotérmicas: el 20% se utiliza y el 80% se disipa al medio La temperatura interna debe mantenerse constante alrededor de los 37°C, para ello el cuerpo humano libera el calor en exceso. Si existe alguna fuente de calor externa el exceso tiene que disiparlo al exterior

Balance térmico cuerpo humano temperatura relativamente relativamente • Para mantener una temperatura constante (37ºC)

Respir..

R

R

 Ha de mantener una temperatura

superficial más alta o más baja que su entorno.

C

 Ha de producir o disipar calor de modo

continuo. (procesos metabólicos a un ritmo “M”)

E

C

transferencia de energía calorífica tiene lugar • La transferencia por: - radiación “R”, “R”, - convección “C”, - conducción conducción “K” “ K” - evaporación de agua “E” (resp, transp.)

C

    o     m     s      i      l     o      b     a      t     e      M

E

K

K

SENSACIÓN DE CONFORT Tpiel  [34,37]ºC Si Tpiel < 34ºC ó Tpiel > 37ºC, 37ºC , - Los sensores de frío y calor envían impulsos al cerebro, con frecuencia proporcional a la rapidez con que cambia la temperatura - El cerebro interpreta las señales como suma de impulsos positivos y negativos negativos que se compensan entre sí. - Señales de ambos signos e igual magnitud: neutralidad térmica = confort En caso contrario sentirá demasiado calor o frío.

MECANISMO DEL SISTEMA DE TERMORREGULACIÓN

FACTORES QUE GOBIERNAN EL INTERCAMBIO CALORÍFICO

AMBIENTALES

DE LA ROPA

DEL SUJETO

Temp. Radiante entorno

Aislamiento

Temperatura interna

Temperatura media aire

Transmitancia

Temperatura media de la piel

Insolación

Emitancia

Temperatura media del cuerpo

Temperatura de rocío

Absorbencia

Pérdida agua líquida

Presión del vapor de agua

Permeabilidad vapor de agua

Razón del sudor

Movimiento del aire

Penetración viento, ventilación

Humedad de la piel

Presión barométrica

Ritmo metabólico Área superficial Área radiante Forma, tamaño y actividad física Área proyectada Absorbencia de la piel ( Emitancia de la piel (infrarrojo)

BALANCE ENERGÉTICO HUMANO El flujo neto de calor entre el cuerpo y el entorno” F” se expresa como:

F = M ± E - ( ± W ) ± R ± C ± K [ W / m2 ] Respir..

R

R

DATOS PARA LA ECUACIÓN: ●

  Nivel metabólico (MET) y nivel de ropa (CLO)

De 2 a 4 parámetros ambientales medidos entre los que están: ●

- Temperaturas del aire? - Velocidad del aire - Humedad relativa - La insolación - La reserva térmica del entorno

C

    o     m     s      i      l     o      b     a      t     e      M

C

E

C

E

K

K

EVALUACIÓN DE PÉRDIDAS POR EVAPORACIÓN Se producen como consecuencia de una diferencia de temperaturas y presiones de vapor de agua

eva  k  v  p p   pa  A m 2 a

Siendo: - eva flujo de calor eliminado por evaporación - K2 coeficiente a ajustar experimentalmente - va velocidad del aire del entorno -A Area de piel humedecida - Pa y Pp: presiones de vapor de agua evaluadas a la temperatura del aire y de la piel respectivamente. -m coeficiente cuyo valor varía entre 0,37 y 0,63 según autores.

CONDICIONES BÁSICAS PARA LA COMODIDAD TÉRMICA • La combinación real de las Temperaturas de la piel y del núcleo corporal genera una

sensación térmica neutra cuando el calor producido por el metabolismo es igual al calor disipado. • Las relaciones entre los parámetros: temperatura de la piel, temperatura del núcleo corporal

y actividad, cuyo resultado es una sensación térmica neutra, se han deducido a partir de un gran número de experimentos en los que se medían estas tres variables con un grupo de personas térmicamente cómodas. • Se eligió la producción de sudor como parámetro (en lugar de la temperatura del núcleo

corporal). Como la producción de sudor es una función de la temperatura profunda del cuerpo y de la piel, esta sustitución no afecta al modelo de sensación térmica. • No se observaron diferencias entre sexos, edad, raza u origen nacional o geográfico. Pero sí

aparecieron diferencias entre individuos en la misma situación. • Las ecuaciones que controlan el balance de energía para una persona son relativamente

simples.

 ANÁLISIS DEL GRADO DE CONFORT Es un proceso complejo dado que, a las dificultades propias de la medida de ciertas variables, se añade la apreciación subjetiva del confort, que cambia con la cultura, el poder adquisitivo, las condiciones climáticas externas, etc. Requiere: ●

Estimación del nivel metabólico

●

Estimación del nivel de ropa

●

Evaluación de las condiciones del entorno. - Medida de variables - Cálculo de parámetros de índices

METODOS PARA FIJAR STANDARES DE CONFORT  Método de Fanger: Realización de encuestas sobre el terreno, permitiendo que

las condiciones cambien y que los usuarios que se vistan y se comporten como lo harían normalmente. Se comprueban las características físicas del ambiente y se las relaciona con las sensaciones de los usuarios para establecer la evaluación. - Se evalúa en términos del Voto Medio Previsto (PMV) y %previsto de Insatisfechos (PPD) - Determinan: ¿qué lejos estamos del confort?, o ¿entre que límites debemos mantener la temperatura y humedad para obtener un grado de comodidad térmica razonable?.

 Mediante experimentación en cámaras climáticas: son laboratorios donde se

pueden ajustar las condiciones ambientales (T, Hr, Insolación, V) Se investiga el efecto de los parámetros físicos de confort. Este tipo de acercamiento permite tratar cada componente de la interacción en el entorno humano separadamente. Los dos sistemas pueden denominarse empírico y analítico respectivamente.

METODO DE FANGER

1 PMV (Predicted Mean Vote)  predice el valor medio de la sensación subjetiva de un grupo de personas en un ambiente determinado. - Rango de valores: PMV [ - 3(frío), + 3 caliente]. - PMV=0 sensación térmica neutra  confort - Para PMV =0 puede haber sujetos insatisfechos, a pesar que todos tengan una vestimenta y un nivel de actividad similar (valoración subjetiva)

ASHRAE Caliente +3 Cálido +2 Algo cálido +1 Neutral 0 Algo frío - 1 Fresco - 2 Frío - 3

Bedford Excesivamente caliente Demasiado caliente Confortablemente cálido Confortable, ni frío ni cálido Confortablemente fresco Demasiado frío Excesivamente frío

2 PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). Predice % de gente insatisfecha en un ambiente térmico determinado. Votos de (- 3, - 2, +2, +3) en la escala PMV son de insatisfacción térmica Nota: En la curva que muestra la relación entre PMV y PPD nunca se consigue menos de un 5% de personas insatisfechas.

El método de Fanger es utilizado en situaciones muy controladas, por lo que no sirve

mucho para el diseño real de edificios donde las condiciones son menos controladas, o se pueden modificar a voluntad del usuario, pero sí para la evaluación del grado de confort  El individuo es capaz de adaptarse parcialmente al entorno

HUMPHREYS: representa la temperatura de confort prevista (calculada) frente a la temperatura media experimentada por las personas encuestadas. La pendiente de la línea de regresión es 1, con una desviación de 2K (menor para la de confort) de difícil justificación.

Temperatura de Confort (o Neutra) como función de la temperatura ambiente exterior (Humphreys 1981)

Se cumple que Tc=Tn=To. Las Temperaturas exterior y de confort coinciden. La diferencia de respuesta entre edificios libres o climatizados, muestra la capacidad de adaptación del individuo

ESTIMACIÓN DEL NIVEL METABÓLICO MET El metabolismo es el motor del cuerpo. - La energía producida depende de la actividad muscular (el 80% acaba convertida en calor a disipar por el cuerpo). - Se mide en MET= 58 W/m2 de superficie corporal  actividad de una persona sedentaria (adulto 100W, Apiel 1.7 m2) - MET mínimo = 0.8 MET (dormido) - MET máximo >10 MET (deporte) (Para evaluar el nivel metabólico de una persona es importante calcular el valor medio durante la última hora como mínimo, ya que la capacidad térmica del cuerpo hace que éste cambie de temperatura muy lentamente, [tiempo de respuesta  1 hora)

CLASE

Tasa metabólica en W/m²

Descanso

65

Tasa metabólica baja

100

Tasa metabólica moderada

165

Tasa metabólica alta

230

Tasa metabólica muy alta

260

EJEMPLOS DE ACTIVIDADES Descansando, sentado cómodamente. Escribir, teclear, dibujar, coser, anotar contabilidad, manejo de herramientas pequeñas, caminar sin prisa ( velocidad hasta 2,5 Km./h) clavar clavos, limar, conducción de camiones, tractores o máquinas de obras, caminar a una velocidad de 2,5 Km./h hasta 5,5 Km./h. Trabajo intenso con brazos y tronco, transporte de materiales pesados, Pedalear, empleo de sierra, caminar a una velocidad de 5,5 Km./h hasta 7 Km./h. Actividad muy intensa a ritmo de muy rápido a máximo, trabajo con hacha, cavado o pelado intenso, subir escaleras, caminar a una velocidad superior a 7 Km./h.

Dispersión

Confort: Ambiente neutro Producción de energía = perdidas de energía

ESTIMACIÓN DEL NIVEL DE ROPA CLO La ropa reduce el flujo de calor del cuerpo. Se clasifica según su resistencia térmica (aislamiento) - Se mide en CLO  0.155 m2°C/W.(clothe) CLO  0 para persona desnuda CLO  1 vestido con un traje normal. - El valor Clo puede estimarse si se conoce la vestimenta, y el valor total es la suma de los valores para las distintas prendas - La valoración precisa exige la determinación experimental con un maniquí calentado. - En el cómputo también entran asientos, camas, etc.

Ejemplos del valor del CLO

AMBIENTE TÉRMICO: PARÁMETROS A MEDIR El hombre no siente la temperatura del local, sino el flujo de calor. a) Parámetros a medir: Ta Tr va Pa

Temperatura del aire( ºC) Temperatura radiante media (ºC) Velocidad del aire (m/s) Humedad P(a), Hr

La T radiante Media tiene con frecuencia una influencia tan grande como la T aire. b) Caracterización del ambiente térmico con el mínimo de parámetros (evitan la medida de temperatura radiante media - difícil de obtener y larga): parámetros integradores: - Temperatura Operativa - Temperatura Equivalente - Temperatura Efectiva

To  Ta, Tr Teq  Ta, Tr , va ET*  Ta,Tr, Pa

Los parámetros integradores permiten describir el ambiente térmico con menos datos.

Temperatura Radiante Media Definición: La Temperatura Radiante Media (Tr) de un ambiente es la temperatura uniforme que habría de tener un recinto negro para que el balance radiativo con el sujeto fueran las mismas que en el recinto real.

Local real

R=R’

La ecuación para el cálculo de Temperatura Radiante Media es  _ 

T r  

4

4

 F p iT i

 F  p i  1 

siendo T es la temperatura absoluta, Ti la temperatura de la superficie radiante “i” y “Fp-i” el factor de visión angular entre la persona y la superficie radiante DIFICIL DE CALCULAR

Local Imaginario

- Como es medida larga y compleja, se determina mediante cálculo a partir de las medidas de: - Temperatura de Globo, T G - Temperatura de Aire, T a - Velocidad de Aire, va - La precisión del resultado es dudosa, porque los coeficientes angulares entre el globo y las superficies de una sala son diferentes a los de una persona y las mismas superficies, y por la incertidumbre del coeficiente de transferencia de calor por convección globo – aire. La temperatura de globo es la temperatura estabilizada de un termómetro introducido en una esfera de cobre hueca de D=15 cm pintada exteriormente de negro que mide la temperatura radiante media del entorno. Debe situarse en la posición que ocuparan las personas. Relación entre T globo (TG) y T radiante (Tr):

Tr  TG  0,103 109 va TG  Ta   

T(ºC)

Temperatura Operativa, Equivalente y Efectiva Temperatura integrada. Temperatura de una sala imaginaria, en la que se ajusta la temperatura hasta que la persona experimente la misma pérdida de calor que en la sala real: q’=q Sala Imaginaria

Sala Real

q’=q

Cada uno de los parámetros de las temperaturas integradas tiene su propia condición específica que debe cumplirse en la sala imaginaria y que son: Operativa Equivalente Efectiva

Hay formulas que permiten calcularlas a partir de las medidas de v, pa y HR o determinarse experimentalmente

Medida de la Temperatura Operativa y Equivalente La Temperatura Operativa pueden medirse directamente en un punto determinado, para la mayoría de las aplicaciones, y será la temperatura superficial de un maniquí no calentado. El transductor de Temperatura Operativa y el maniquí deberían tener: • El mismo coeficiente de pérdida de calor • el mismo coeficiente angular de entorno (como cambia con la posición relativa persona-entorno, el maniquí deberá poder adoptar diferentes posturas) • el mismo factor de absorción (emisividad) para la radiación de onda corta y larga Un elipsoide gris claro, de 160 mm de largo y 54 mm de diámetro, satisface las especificaciones requeridas para ser un transductor de Temperatura Operativa. Si se suministra calor al maniquí para mantener la temperatura exterior igual a la de la ropa, el flujo de energía aplicado coincidirá con el flujo de calor seco (sin evaporación). Conocido H, puede calcularse la Temperatura Equivalente y viceversa.

Maniquí

La Incomodidad Térmica Local 2

Una persona con sensación de neutralidad térmica general, puede sentir malestar térmico local, que puede ser generado por: enfriamiento local del cuerpo por corrientes convectivas debidas a turbulencias ● enfriamiento o calentamiento local por la radiación de zonas del cuerpo. (asimetría de la radiación). ● gradientes verticales de T (Los pies fríos y la cabeza caliente al mismo tiempo) ● temperatura inadecuada del suelo (Los pies calientes o fríos) ●

1

3

4

CORRIENTES DE AIRE El grado de malestar depende del flujo calorífico y de la fluctuación de la temperatura de piel  para igualdad de enfriamiento un flujo de aire muy turbulento se puede sentir mucho más molesto que un flujo continuo a la misma velocidad. Se cree que las turbulencias provocan muchas diferencias de temperatura en la piel provocando un exceso número de estímulos desagradables enviados por los sensores de frío de la piel al cerebro. Las fluctuaciones con una frecuencia de 0.5 Hz son las más incómodas, mientras que las frecuencias superiores a 2 Hz no se sienten.

EVALUACIÓN DE LAS CORRIENTES DE AIRE • % de personas incómodas por corrientes de aire

 DR  34  Ta

  va  0.05

0.62

37SD  3.14 

Condiciones cerca confort y actividad sedentaria

DR = Porcentaje de personas incomodas (%) (disconfort rate) Ta = Temperatura del aire [°C] va = Velocidad de Aire [m / s] SD = Desviación estándar de la velocidad de aire [m / s]

•

Fluctuación de la velocidad de aire "Intensidad de Turbulencia",

Tu  100 

Se puede aplicar a personas que realizan actividades sedentarias o muy ligeras, en condiciones próximas al confort. Para calcular v a y SD de han usado periodos de 3 minutos. El sensor de velocidad ha de ser capaz de medir V a< 0.05 m/s, fluctuaciones de hasta 2 Hz, y no afectarle la dirección del flujo de aire, la cual puede cambiar rápidamente en la zona ocupada

SD va

% 

Cuanto mayor es la turbulencia, para las mismas condicione de T y velocidad, mayor es el grado de disconfort. B

A y A’ tienen iguales T y V, pero el

A C

Para la misma turbulencia, el grado de disconfort se mantiene cuando al aumentar la temperatura también sube la velocidad aire (puntos A y B) Un mismo grado de insatisfacción se obtiene para temperaturas más altas e igual velocidad siempre que la turbulencia sea mayor (Puntos A y C)

porcentaje de insatisfechos es del 25% en A’ con mayor turbulencia (15 frente a 0)

A’

VENTILACIÓN

Calidad de aire interior: puede definirse como el grado en el que se satisfacen las exigencias del ser humano: • percibir el aire fresco, en lugar de viciado, cargado o irritante; • saber que el riesgo para la salud derivado de la respiración de ese aire es despreciable. Renovación del aire interior: ASHRAE ( nº 62 de 1989) espacios interiores ocupados : mínimo 25,5 m3/h/ocupante o mayor cuando el aire que entra en un local no se mezcla adecuadamente en la zona respiratoria o si existen focos de contaminación inusuales.

Medida de la calidad aire: Fanger propuso cuantificar la contaminación del aire interior mediante el olor producido por contaminación humana: Un olf  (del latín olfactus) es la tasa de emisión de los contaminantes (bioefluentes) producidos por un adulto de edad media, con una actividad sedentaria, en ambiente térmico neutro y nivel de higiene de 0,7 baños/día. Se escogió el olf por dos razones: - los bioefluentes emitidos por una persona son bien conocidos, - se dispone de muchos datos sobre la insatisfacción causada por estos bioefluentes.

Curva de definición 1 OLF P.I. porcentaje de insatisfechos

Muestra cómo la contaminación producida por una persona estándar (olf) es percibida en función del flujo de ventilación, Permite obtener el porcentaje de insatisfechos  personas que percibirán el aire como inaceptable justo después entrar en la habitación. Se obtiene a partir de los resultados de un estudio realizado en dos auditorios en Dinamarca, con los bioefluentes de más de mil personas, y la opinión de la calidad del aire de 168 personas

Decipol (del latín pollutio):

El % de insatisfechos crece con el numero de decipol

La concentración de contaminantes de aire depende de la fuente que los genera y de la dilución ocasionada por la ventilación. Contaminación del aire percibida: es la concentración de bioefluentes humanos que causarían la misma insatisfacción que la concentración del aire contaminado en el ambiente en estudio. Por definición: 1 decipol: contaminación causada por una persona estándar (1 olf) con una tasa de ventilación de 10 l/s (36m3/h) de aire no contaminado . 1 decipol = 0,1 olf/(I/s)

Relación entre la percepción de la calidad de aire expresada en % de personas insatisfechas y en decipol.

Fuentes de contaminación según Fanger y su equipo • los ocupantes y sus actividades como fuente de contaminación, • mobiliario, moqueta, materiales de construcción, • productos de decoración o limpieza • sistema de ventilación.

Esta carga puede ser expresada como contaminación química o como contaminación sensorial expresada en olf integrando el efecto de varias sustancias químicas percibidas por los seres humanos. - Carga de contaminación química: Tasa de emisión de cada sustancia química. La carga total de contaminación química se estima mediante la adición de todas las fuentes y se expresa en µ g/s. Actualmente es difícil su estimación debido a la falta de datos de emisión de los materiales - Carga sensorial: Es la causada por fuentes de contaminación que tienen impacto en la calidad del aire percibida. Como no existe información resulta más práctico estimar la carga sensorial de todo el edificio, incluyendo los ocupantes, el mobiliario y el sistema de ventilación.

Eficacia de la ventilación (Ev) Definición: Es la relación entre las concentraciones de contaminación en la extracción del aire (Ce)  – a la salida del recinto- y en la zona respiratoria (Cr). Ev = Cext/Cr Depende de la distribución del aire y de la ubicación de las fuentes de contaminación en el local: - Si la mezcla del aire y contaminantes es completa, Ev = 1 - Si la calidad del aire es mejor en la zona respiratoria Ev > 1 y se puede conseguir calidad del aire deseada con tasas de ventilación inferiores. - Si Ev