La Comodidad Térmica

 

 

La Comodidad Térmica

Bjørn Kvisgaard  Titulo original: “Thermal Comfort” [http://www.innov [http://www.innova.dk/books/ a.dk/books/ thermal/]   INNOVA Copyright © 1997 Air Tech Instruments A/S, Denmark [Brüel &Kjær]  Traducción: Manuel Martín Monroy © 2000  

Este manual ofrece una introducción a la comodidad térmica, donde se exponen procedimientos para evaluar el ambiente térmico y métodos aplicados para su medida.

¿Qué es la comodidad térmica? El hombre siempre ha deseado crear un ambiente térmico cómodo. Esto se refleja en la arquitectura tradicional de todo el mundo, desde la historia antigua hasta el presente. Actualmente, la creación de un ambiente térmico cómodo es uno de los parámetros más importantes que se consideran cuando se s e proyectan edificios. Pero ¿Qué es exactamente la comodidad térmica? La norma ISO 7730 lo define como "aquella " aquella condición mental que expresa satisfacción con el ambiente térmico". térmico ". Esta definición puede satisfacer a la mayoría de la gente, pero también es una definición que no es fácil de convertir en parámetros físicos.

La complejidad de la evaluación de la comodidad térmica se puede ilustrar con un ejemplo: Un día de invierno frío y soleado, una persona vestida normal puede descansar en una habitación con calefacción, al tiempo que otra persona con ropa ligera puede estar haciendo deporte en el exterior. Ambas personas pueden sentirse cómodas aunque se encuentren en ambientes térmicos totalmente diferentes. Esto nos recuerda que la comodidad térmica depende de muchos parámetros físicos, en vez de solo uno, como por ejemplo la temperatura. El ambiente térmico debe ser considerado conjuntamente con otros factores, como la calidad del aire, niveles de luz y ruido, cuando se evalúa nuestro ambiente de trabajo o doméstico. Si nosotros sentimos que el entorno de trabajo diario no es satisfactorio, nuestro rendimiento laboral disminuirá inevitablemente. Por ello, la comodidad térmica tiene un gran impacto en nuestra eficacia laboral.

 

 

¿Cómo se regula la temperatura del cuerpo? El hombre tiene un sistema regulador de temperatura muy efectivo, que garantiza que la temperatura del núcleo del cuerpo se mantenga a 37ºC aproximadamente. Cuando el cuerpo empieza a calentarse demasiado, se inician dos procesos: primero se dilatan los vasos sanguíneos, incrementando el flujo de sangre por la piel, y a continuación uno empieza a sudar. El sudor es un efectivo mecanismo de enfriamiento, porque la energía requerida para evaporar el sudor es tomada de la piel. Bastan Bast an unas pocas décimas de grado de incremento de la temperatura del núcleo del cuerpo para estimular una producción de sudor que puede cuadruplicar la pérdida de calor del cuerpo.

Si el cuerpo empieza a enfriarse demasiado, la primera reacción es la vaso-constricción de los conductos sanguíneos, reduciendo el flujo de sangre por la piel. La segunda reacción es incrementar la producción interna de calor mediante la estimulación de los músculos, pudiendo causar temblores. Este sistema es de también muy efectivo, y puede incrementar la producción de calor corporal bruscamente. El sistema de control que regula la temperatura del cuerpo es complejo, y aún no se comprende del todo. Sin embargo, se conocen los dos sistemas más importantes de sensores para el sistema de control. Están localizados en la piel y en el hipotálamo. El hipotálamo tiene un sensor de calor que inicia la función de enfriamiento del cuerpo cuando la temperatura del núcleo del cuerpo sobrepasa los 37º C. Los sensores de la piel son sensores de frío que inician las defensas corporales contra el enfriamiento cuando la temperatura de la piel cae por debajo de 34ºC. Si los sensores de calor y frío envían señales al mismo tiempo, nuestro cerebro puede inhibir una o ambas reacciones térmicas de defensa del cuerpo.

 

 

¿Cómo evalúa el hombre el Ambiente Térmico? El hombre considera cómodo el ambiente si no existe ningún tipo de incomodidad térmica. La primera condición de comodidad es la neutralidad térmica, que significa que una persona no siente ni demasiado calor ni demasiado frío.

Cuando la temperatura de la piel baja de los 34ºC, nuestros sensores de frío empiezan a enviar impulsos al cerebro; y si la temperatura continúa bajando los impulsos se incrementan en número. El número de impulsos es también una función de la rapidez del descenso de la temperatura de la piel. De forma similar, el sensor de calor en el hipotálamo envía impulsos cuando la temperatura excede de 37ºC, y cuanto más se incremente la temperatura, aumenta el número de impulsos. Se considera que nuestra evaluación del ambiente térmico se fundamenta en las señales de estos dos sistemas de sensores. El cerebro interpreta las señales como una suma de impulsos positivos y negativos que se anulan entre sí. Si las señales de ambos signos son de la misma magnitud se sentirá térmicamente neutro, si no, se sentirá demasiado caluroso o demasiado frío. Una persona en un estado térmica neutro y completamente relajada es un caso especial, ya que no se activan ni los sensores de calor ni de frío. Dado que se necesita bastante tiempo para cambiar la temperatura del núcleo del cuerpo, las señales del sensor de calor varían muy lentamente comparadas con las señales de los sensores de frío.

 

 

Condiciones básicas para la Comodidad Térmica Dos condiciones deben ser cumplidas que para mantener la comodidad térmica. La primera es que la combinación actual de temperatura de piel y temperaturas del núcleo del cuerpo proporcione una sensación térmica neutra. La segunda es el equilibrio del balance de energía del cuerpo: El calor producido por el metabolismo debería ser igual a la cantidad de calor disipada por el cuerpo. Las relaciones entre los parámetros: temperatura de la piel, temperatura del núcleo corporal y actividad, cuyo resultado es una sensación térmica neutra, esta basada en un gran número de experimentos. Durante esos experimentos se midieron la temperatura de núcleo de cuerpo, la temperatura de piel y la cantidad de sudor producida a diversos niveles de actividad conocidos, mientras que el grupo de personas del ensayo permanecía térmicamente cómodos. Los resultados de los experimentos pueden verse en la figura. Se eligió la producción de sudor como parámetro en sustitución de la temperatura del núcleo del cuerpo, como de nada sudor en es el una funcióndedesensación la temperatura cuerpo y de pero la piel, estolanoproducción cambia para modelo térmica. profunda del Durante el experimento, mientras se determinaba como era un ambiente térmico cómodo, no se observaron diferencias entre sexos, edad, raza y el origen nacional o geográfico. Sin embargo, sí se observaron diferencias entre individuos en la misma situación. Las ecuaciones que controlan el balance de energía para una persona son relativamente simples. Se pueden estudiar en el Apéndice B.

 

 

La Ecuación de Comodidad La ecuación de la Temperatura Cómoda de la Piel y la Producción de Sudor se puede combinar con la ecuación de Balance de Energía del Cuerpo, para obtener la Ecuación de Comodidad. Esta ecuación describe la relación entre unos parámetros físicos medibles y la sensación térmica neutra experimentada por una persona “típica”.

La Ecuación de Confort nos proporciona una herramienta operativa con la cual, midiendo unos parámetros físicos, podemos evaluar bajo qué condiciones podemos ofertar comodidad térmica en un espacio habitado. La Ecuación de Comodidad, desarrollada por P.O. Fanger [1] es demasiada complicada para cálculo manual y se suele aplicar mediante ordenador o con el auxilio de tablas y gráficas. La ecuación completa se muestra en los Apéndices A y B. La ecuación revela que las temperaturas de las superficies que rodean a una persona tienen una enorme influencia en la sensación térmica. Un cambio de 1ºC en la temperatura de las superficies del entorno, bajo ciertas circunstancias, puede influir tanto como un cambio de 1ºC en la temperatura del aire. Además, la Ecuación de Comodidad demuestra que el nivel de humedad solo tiene una influencia moderada en la sensación térmica. En la práctica, es importante conocer los parámetros de entrada que requiere la Ecuación de Comodidad, que son: Met y Clo). (Temperatura del aire, Temperatura radiante media, Velocidad del aire y Humedad). Hu medad). En resumen, la ecuación de Fanger describe la relación entre la actividad o nivel metabólico y las pérdidas de calor del cuerpo por los mecanismos de convención, radiación, transpiración y respiración.

Estimación del Nivel Metabólico MET El metabolismo es el motor del cuerpo, y la cantidad de energía producida por el metabolismo depende de la actividad muscular. Normalmente toda la actividad muscular es convertida en calor en el cuerpo, pero durante trabajos físicos externos la proporción puede bajar al 75%. Como ejemplo, una persona subiendo una montaña, que genere un trabajo externo de 100 watios (acumulado como energía potencial), puede necesitar generar una energía de 500W, de los cuales 400W se disiparán en forma de calor. 2 de superficie El metabolismo se suelea medir en Met,de correspondiente al nivel de actividad de unaUnpersona sedentaria, y equivale una pérdida calor de 58 W/m corporal. adulto

 

normal tiene una superficie de piel de 1.7 m2, de manera que una persona en reposo pierde aproximadamente cien watios. Nuestro metabolismo está al mínimo mientras dormidos (0.8 Met) y se incrementa al máximo durante actividades deportivas, pudiendo superar los 10 Met. La gráfica muestra unos pocos ejemplos de niveles metabólicos para diversas actividades. Como complemento, se presenta una tabla con los niveles metabólico de diferentes actividades. Así, por ejemplo, se suele emplear entre un nivel metabólico de 1.2 Met, correspondiente a un trabajo normal de oficina, mientras que el trabajo doméstico es una actividad bastante intensa, con niveles de 2.5 a 2.9 Met. Cuando se evalúa 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, “recordando” el nivel de actividad durante una hora aproximadamente.

Estimación del Nivel de Ropa CLO La ropa reduce la pérdida de calor de cuerpo. Por lo tanto, la ropa se clasifica según su valor de aislamiento. La unidad normalmente usada para medir el aislamiento de ropa es la unidad Clo, aunque también se utiliza la unidad más técnica de m2°C/W (1 Clo = 0.155 m2°C/W). La escala Clo se ha diseñado para que una persona desnuda tenga un valor de 0.0 Clo, y alguien vestido con un traje típico de negocio tenga un de valor de 1.0 Clo. En la figura se muestran algunos valores normales de Clo.

El valor Clo se puede calcularse si se conoce la vestimenta de las personas y los valores Clo de cada una de las prendas, sumando simplemente los valores de cada una. El Apéndice D contiene una lista de artículos de ropa y sus valores Clo correspondientes. El valor Clo obtenido de mediante el cálculo suele tener una exactitud suficiente. Si se requieren valores exactos es mejor medir el valor Clo utilizando un maniquí calentado. Cuando se calcula los valores Clo es importante recordar que las butacas tapizadas, los asientos de automóvil y las camas también reducen la pérdida de calor del cuerpo, y por lo tanto, estos deben incluirse en el cálculo total.

 

 

¿Qué parámetros se deben medir? Cuando se mide el ambiente térmico de una habitación es importante recordar que el hombre no puede sentir la temperatura del local, sino el calor que pierde su cuerpo. Los parámetros que se deben medir son aquellos que afectan a la pérdida de energía. Estos son:

ta tr va pa

Temperatura del aire

ºC

Temperatura radiante media

ºC

Velocidad del aire

m/s

Humedad

Pa

La influencia de estos parámetros en la pérdida de energía no son iguales, pero no es suficiente medir solo uno de ellos. Por ejemplo, la Temperatura Radiante Media tiene con frecuencia una influencia tan grande como la temperatura de aire sobre la pérdida de energía. Para caracterizar el ambiente térmico interior con el mínimo de parámetros y evitar la medida de la temperatura radiante media, que es difícil de obtener y consume mucho tiempo, se han introducido algunos parámetros integrados. Los 3 mas importante son la Temperatura Operativa (To), la Temperatura Equivalente (Teq) y la Temperatura Efectiva (ET *).

Cómo crear Comodidad Térmica Cuando se evalúa un lugar de estancia, se suele emplear la Temperatura de Comodidad, (tco), que se define como la Temperatura Equivalente en la que una persona tiene una sensación térmica cómoda. se suele depor humedad de comodidad, la dificultad para percibir la No humedad delhablar aire, y otra parte porque porenlaparte poca por influencia en la pérdida de calor de una persona cuando esta se encuentra próxima a un estado de comodidad térmica. La temperatura de comodidad en un ambiente determinado puede calcularse mediante la ecuación de comodidad (Apéndice B). En la figura se muestra algunos resultados de tales cálculos. Observe la diferencia de Temperatura de Comodidad entre un trabajo pesado con bastante ropa y un trabajo sedentario con ropa ligera. Si una sala contiene mucha gente, vistiendo diferentes tipos de ropa y efectuando diferentes tipos de actividades, puede ser difícil crear un ambiente que garantice comodidad térmica para todos los ocupantes. Se puede solucionar en parte cambiando los factores locales que puedan afectan la comodidad térmica como, por ejemplo, instalando paneles radiantes para combatir la sensación de frío o incrementando la ventilación para aliviar la sensación de calor.

 

Afortunadamente, los individuos suelen regular su propia comodidad térmica adaptando su ropa a las condiciones del ambiente y el tipo de actividad, como por ejemplo, poniéndose una chaqueta o subiéndose las mangas de la camisa.

Las escalas PMV y PPD Si la comodidad térmica en un lugar de trabajo no es perfecta, ¿qué lejos estamos de ella?, o ¿entre que límites debemos mantener la temperatura y humedad para obtener un grado de comodidad térmica razonable?. La respuestas a estas preguntas se pueden obtener mediante el índice PMV de Voto Medio Previsto (Predicted Mean Vote). El índice PMV predice el valor medio de la sensación subjetiva de un grupo de personas en un ambiente determinado. La escala del PMV tiene un rango de sensación térmica de 7 puntos, desde - 3 (frío) a +3 (caliente), donde el 0 representa una sensación térmica neutra. Aunque el índice PMV sea 0, todavía habrán algunos individuos que estén insatisfechos con el nivel de temperatura, a pesar que todos ellos tengan una vestimenta y un nivel de actividad similar, porque la evaluación de la comodidad difiere ligeramente entre las personas. Para predecir cuánta gente está insatisfecha en un ambiente térmico determinado, se ha introducido el índice de Porcentaje de Personas Insatisfechas PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). En el índice PPD la gente que vota - 3, - 2, +2, +3 en la escala PMV se considera térmicamente insatisfechas. Observe que en la curva que muestra la relación entre PMV y PPD nunca se consigue menos de un 5% de personas insatisfechas. En el Apéndice B se puede ver como se calcula los valores de PMV y PPD.

La Incomodidad Térmica Local

 

Aunque una persona tenga una sensación de neutralidad térmica en general, puede tener partes del cuerpo en condiciones de incomodidad térmica. Este malestar térmico local no se puede evitar elevando o disminuyendo la temperatura del local. Es necesario eliminar la causa del calentando o enfriando localizado. Generalmente, el malestar térmico local se puede clasificar en algunas de estas 4 categorías: 1. El enfriamiento local del cuerpo por convección ocasionado por las turbulencias 2. enfriamiento o calentamiento por la radiación de zonas del cuerpo. Esto es conocido como un El problema de asimetría de la radiación. 3. Los pies fríos y la cabeza caliente al mismo tiempo, ocasionado por una gran diferencia vertical de temperatura del aire. 4. Los pies calientes o fríos, fr íos, ocasionados por una temperatura incómoda del suelo.

Recuerde que sólo se puede juzgar la calidad ambiental de un local cuando se han investigado los parámetros tanto de la comodidad térmica general

Corrientes de Aire Las corrientes de aire son una de las quejas más comunes cuando se estudian locales con aire acondicionado, vehículos o aviones. En realidad, el hombre no puede sentir velocidad de aire, sino que las quejas de la gente son debidas a un desagradable enfriamiento local de su cuerpo. La gente son muy sensibles a las corrientes de aire en las partes desnudas del cuerpo. Por lo tanto, las corrientes sólo se suelen sentir en la cara, las manos y en la parte baja de las piernas. El flujo de calor perdido por la piel, ocasionado por las corrientes de aire, es función de la velocidad media del aire, así como también la turbulencia tur bulencia del flujo y la temperatura del aire. Debido a la manera en que funcionan los sensores del frío de la piel, el grado de malestar no solo dependiente de la pérdida local de calor, sino que también la fluctuación de la temperatura de piel tiene una gran influencia. Un flujo de aire muy turbulento se puede sentir

 

mucho mas molesto que un flujo continuo a la misma velocidad, aunque produzcan el mismo enfriamiento. Se cree que las turbulencias crean tantas diferencias de temperatura t emperatura en la piel que provoca un exceso de estímulos desagradables, los cuales son enviados por los sensores s ensores de frío de la piel. Se sabe algo sobre qué tipos de fluctuaciones ocasionan un mayor malestar, mediante el estudio de grupos de individuos sometidos a diversas frecuencias de variación de velocidad de aire. La fluctuación con una frecuencia de 0.5 Hz son las más incómodas, mientras que las frecuencias superiores a 2 Hz no se sienten.

Asimetría de la Radiación Térmica Si usted permanece frente al fuego de una chimenea en un día frío, después de un período de tiempo comenzará a sentir un frío incómodo en la espalda. Este malestar no se puede evitar acercándose al fuego, ya que el aumento de la temperatura del cuerpo aumenta la incomodidad. Este es un ejemplo de cómo una radiación térmica no uniforme puede resultar incómoda para el cuerpo. Para describir esta falta de uniformidad térmica del campo de radiación se utiliza el pr). Este parámetro se define como la diferencia de Temperatura Radiante Plana (tpr) entre los dos caras opuestas de un elemento pequeño plano. Los experimentos con personas expuestas a diferentes grados de asimetría de temperatura radiante han demostrado que los techos calientes y las ventanas frías pueden ser la causa de una elevada incomodidad, mientras que los techos fríos y las paredes calientes causan una incomodidad menor. Durante estos experimentos todas las otras superficies y el aire se mantuvieron a la misma temperatura. pr)

se puede obtener de dos maneras. Uno, midiendo la Temperatura Radiante Plana (tpr) en dos direcciones opuestas usando un transductor que integra la radiación incidente sobre un pequeño elemento plano procedente de cada hemisferio. El otro sería midiendo las temperaturas de todos los superficies del entorno y entonces calcular Asimetría de Temperatura Radiante. En el Apéndice F se muestra el procedimiento para realizar dicho cálculo.

 

 

Diferencia Vertical de Temperatura del Aire Generalmente es desagradable sentir calor en la cabeza y a la vez sentir frío en los pies, con independencia de que la causa sea por radiación o convección. En el apartado anterior se estudió los límites de tolerancia de la Asimetría de Temperatura Radiante. Ahora estamos estudiando la diferencia de temperatura del aire aceptable entre la cabeza y los pies. Los experimentos se efectuaron con personas en un estado de neutralidad térmica. Los resultados, mostrados en el diagrama, muestran que una diferencia temperatura del aire de 3°C entre la cabeza y los pies provocaron un 5 % de insatisfechos. La norma ISO 7730 ha tomado estos 3°C como el límite aceptable para una persona sentada con una actividad sedentaria. Cuando se mida la diferencia de temperatura del aire es importante usar un transductor protegido de la radiación térmica. Esto asegura que se mida la temperatura de aire y no una combinación indefinida de temperatura del aire y temperatura radiante. La Diferencia Vertical de Temperatura del Aire se expresa como la diferencia entre la Temperatura de Aire al nivel del tobillo y al nivel de cuello.

Temperatura del Suelo Debido al contacto de los pies en el suelo, se puede producir un malestar local en los pies ocasionado por una temperatura del suelo demasiado alta o baja. Hablar de incomodidad térmica ocasionada por la temperatura de piso es incorrecto, ya que el malestar está causado por la pérdida de calor de los pies. Esta pérdida de calor depende, además de la temperatura del piso, de parámetros tales como la conductividad y la capacidad térmica del material del piso, y también del tipo de calzado. Esta diferencia de conductividad y capacidad térmica hace que los pisos de corcho se sientan cálidos al tacto, mientras que los pisos de mármol se sientan fríos. Si la gente utiliza "calzado normal de interior", el material de piso no tiene mucha importancia, y es posible establecer algunos niveles de comodidad para esta situación "normal". La norma ISO 7730 establece el nivel de comodidad aceptable para actividades sedentarias en un 10% de personas insatisfechas. Esto se traduce en un rango de Temperaturas del Suelo aceptables entre 19°C y 29°C. Las recomendaciones para personas descalzas son bastante diferentes. Las temperaturas óptimas en un cuarto de baño son de 29°C para un suelo de mármol y de 26°C para un revestimiento plástico sobre la madera.

 

Cómo se realiza la medición de un puesto de trabajo. ¿Dónde se deben poner los sensores para medir el lugar ocupado por una persona?. En la figura se muestran las posiciones típicas para personas sentadas y de pié. En general, los sensores se deberían poner en el centro de gravedad de la persona, excepto cuando se mida la Diferencia Vertical de Temperatura del Aire y las Corrientes de aire, que deben hacerse al nivel del cuello y del tobillo. Según el Las método elegido sensores. opciones son:para medir la Pérdida de Calor Seco (H) se necesitan uno, dos o tres

La norma ISO 7730 propone las siguientes condiciones de comodidad térmica para un lugar ocupado por una persona realizando una un a actividad sedentaria: -0.5 < PMV < +0.5 el tobillo menor de 3°C.