Sector de Acondicionamiento Ambiental - Escuela de Arquitectura – FAU/UCV ASIGNATURA: CLIMA Y DISEÑO

Prof. Luis Rosales (IDEC/FAU/UCV)

TEMA 1: CONFORT TÉRMICO INTRODUCCIÓN Cuando se diseña una edificación una de las exigencias primordiales es que las personas que en ella se en-cuentren se sientan térmicamente confortables. En términos generales, que no sientan ni frío ni calor. En el diseño térmico (bien sea éste pasivo o sustentado en sistemas activos de climatización) el confort térmico es la exigencia de habitabilidad a cumplir. Alcanzarlo es esencial para el bienestar y la productividad. Se requie-re por tanto conocer los fenómenos físicos, fisiológicos y psicológicos relacionados con la sensación térmica, las variables ambientales y de otra índole que la afectan y la manera de estimarla a los efectos de valorar con bases operativas y de cara al diseño un espacio arquitectónico.

LOS ÓRGANOS SENSITIVOS DE CALOR Y FRÍO Los corpúsculos del tacto son ensanchamientos de forma ovoide, formados por ramificaciones aplanadas del nervio sensitivo (discos táctiles), células de sostén y una cubierta epitelial. Hay distintas clases de corpúscu-los: unos perciben el contacto, otros la presión, otros el frío y otros el calor. Por la forma en que están distri-buidos en el cuerpo, hay zonas especialmente sensibles a alguna sensación específica. Los puntos sensibles al frío (bulbos de Krause) suman aproximadamente 150 mil y están más concentrados en las zonas de las meji-llas, la nariz, el dorso, las manos y el pecho, ubicándose a unos 0.5 mm de la superficie de la piel. Los puntos sensibles al calor (órganos de Ruffini) son aproximadamente 16 mil y se encuentran algo más profundamente en la piel, sobre todo en los labios, la nariz, el mentón, el pecho, la cabeza y los dedos y su reacción es más lenta que la de los puntos sensibles al frío. LOS MODOS DE INTERCAMBIO DE CALOR ENTRE EL CUERPO HUMANO Y SU ENTRONO El cuerpo humano recibe calor del ambiente o lo emite hacia él en primera instancia mediante los tres meca-nismos básicos de intercambio de calor entre los cuerpos: conducción, convección y radiación. Estos pueden estimarse usando unidades energéticas, específicamente el vatio (W), que es una unidad de potencia energéti-ca (W=J/s: cantidad de energía desplegada en joules cada segundo). La conducción y la convección son inter-cambios de calor sensible (calor que se puede medir directamente con un termómetro) mientras que la radia-ción implica una transformación de energía: parte de la radiación electromagnética que incide en la piel se transforma al interior de ésta en calor y, recíprocamente, parte del calor del cuerpo se trasforma en radiación electromagnética que se emite al entorno. De hecho, todo cuerpo emite radiación electromagnética en cantidad proporcional a su temperatura. Un ejem-plo palmario es el sol. Éste se encuentra en su interior a unos 1.5 millones de ºC, por lo que emite gran canti-dad de radiación, parte de la cual conforma la luz visible. En la Tierra, una porción de esa radiación al incidir en las personas se transforma en ellas en calor. De igual forma, una pared o una persona emiten radiación electromagnética, aunque en menor cantidad que el sol y de mayor longitud de onda (en la parte del espectro no visible del infrarrojo). Si esa persona se hallase cerca de dicha pared estando esta última más caliente, la pared emitiría mayor cantidad de radiación hacia la persona que la persona hacia la pared, lo que resultaría en un calentamiento de la persona y un enfriamiento de la pared. Si en cambio fuese la persona la que estuviese más caliente, el intercambio radiativo neto causaría un enfriamiento de la persona y un calentamiento de la pared (nota: más adelante se verá que ese intercambio depende aún de otros factores). Un cuarto mecanismo no menos importante es la evaporación, proceso que implica un cambio de fase en el que se disipa energía térmica. A la cantidad de energía potencialmente contenida en el agua para su evapora-

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ción se le conoce como calor latente. Un gramo de agua posee un calor latente de vaporización de 2260 J (joule = newton x metro = medida de trabajo o energía). Esto significa que para evaporar un gramo de agua se requieren 2260 J de calor. Si por ejemplo ese gramo se encontrara en la superficie de la piel, el agua (más exactamente el sudor, el cual es agua casi en su totalidad) al evaporarse disiparía calor de la piel, enfriándola. La convección es la transferencia de calor entre un fluido y una superficie en contacto con él. En el caso pre-sente, entre la piel y el aire circundante. A diferencia de la radiación, la convección no implica transforma-ción de energía. Lo que la piel recibe del aire o transmite al aire es calor sensible. Los intercambios convecti-vos dependen principalmente de la diferencia de temperatura entre la piel y el aire y de la velocidad con que el aire roce a la piel. Cuanto mayor sea la diferencia y mayor la velocidad, más calor se transferirá de la piel al aire o viceversa, dependiendo de cuál esté más caliente. En realidad no es sólo la piel la que está en contacto con el aire. También parte de los órganos internos, espe-cialmente aquellos relacionados con la respiración. De hecho, cuando se respira, se produce no sólo un inter-cambio interno de calor por convección (en las vías respiratorias y pulmones), sino una evaporación interna (evaporación respiratoria) que hace que el aire espirado sea más húmedo que el inhalado. Por otro lado, es evidente que el cuerpo humano no lleva a cabo los intercambios térmicos con el aire sin intermediarios, pues en general las personas se encuentran vestidas. En las partes cubiertas del cuerpo el paso de calor a través de la ropa está condicionado por múltiples factores, particularmente la resistencia térmica de la ropa, es decir, la oposición que ésta presente al paso de calor (una camisa de seda, por ejemplo, es sin duda menos recomendable en un clima frío que una camisa de lana). Por último, la conducción representa el paso de calor sensible de un cuerpo a otro por contacto directo. Si una persona se encuentra de pie y descalza sobre un piso frío, el calor del cuerpo se trasfiere al piso a través de los pies. En general, en edificaciones, el calor intercambiado por conducción es pequeño, pues las personas no entran de manera prolongada y extensa en contacto con superficies mucho más calientes o frías, y cuando lo hacen, tienen puestos implementos intermediarios (ropa, zapatos, etc.). En los hechos los mecanismos más importantes de la interacción térmica entre el cuerpo humano y el ambien-te son los intercambios de calor con el aire (convección), los intercambios de calor por radiación y los inter-cambios de calor latente o evaporativos. Bien que su importancia relativa varíe según la persona, el ambiente, la actividad y la vestimenta, la repartición es en promedio la siguiente: evaporación 30%, radiación 30%, convección 30% y respiración 10%. LA PRODUCCIÓN DE CALOR INTERNO La temperatura del cuerpo humano no depende exclusivamente de las condiciones de su entorno. Todo indi-viduo está constantemente quemando los alimentos, generando con ello calor. Mientras más agitada sea la actividad que realice mayor será el calor producido. Lo anterior se conoce como calor metabólico. En térmi-nos técnicos, el cuerpo humano es una máquina termodinámica de baja eficiencia, pues gran parte de la ener-gía de que dispone por medio de los alimentos para realizar un trabajo se transforma en calor metabólico. El calor metabólico se puede medir en unidades energéticas clásicas. Por ejemplo, la tasa de producción de calor de una persona despierta en actitud sedentaria es del orden de 70 W (otra manera de estimarlo pudiera ser usando calorías/unidad de tiempo (1 caloría = 4.1868 Joules)). A los fines de tomar en cuenta la diferencia de metabolismo de individuo a individuo, al calor metabólico se le expresa habitualmente por cada m2 de superficie de piel. Sin embargo, la unidad más utilizada para medir el metabolismo es el llamado Met, equi-valente a 58 W/m2. En la tabla de más abajo se presentan valores aproximados del calor metabólico en fun-ción de la actividad. Obsérvese que una persona sentada produce un calor metabólico de 1 Met. No se trata de una coincidencia, pues es la actividad que se toma como referencia para definir el Met, para lo cual se consi-dera además que la persona tiene un área de piel de 1m2.

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Actividad W/m² Met

Acostado 46 0.8

Sentado relajado 58 1.0

Reparando un reloj 65 1.1

De pie relajado 70 1.2

Actividad sedentaria (oficina, vivienda, escuela, laboratorio) 70 1.2

Conduciendo un automóvil 80 1.4

Trabajando en diseño gráfico 85 1.5

De pie en actividad ligera (compras, laboratorio, industria ligera) 93 1.6

Dictando una clase 95 1.6

Actividades domésticas (afeitándose, lavándose, vistiéndose) 100 1.7

Caminando normalmente (2 km/h) 110 1.9

De pie, realizando una actividad ligera (vendiendo en una tienda, trabajo doméstico) 116 2.0

Colocando ladrillos (bloques de 15.3 kg) 125 2.2

Fregando ollas y platos (estando de pie) 145 2.5

Trabajo de jardinería (recogiendo hojas en un jardín) 170 2.9

Apisonando hierro o acero con un martillo neumático 175 3.0

Cortando trigo con una hoz 205 3.5

Arando un terreno con bueyes 235 4.0

Cargando una carretilla con piedras y mortero 275 4.7

Patinando sobre hielo (18 km/h) 360 6.2

Cavando con una pala (24 palas/min.) 380 6.5

Esquiando (9 km/h) 405 7.0

Cortando troncos con un hacha (peso 2 kg, 33 hachazos/min.) 500 8.6

Tasa de calor metabólico en función de la actividad (tomado de: http://www.squ1.com/site.html) Los mecanismos descritos pueden cuantificarse mediante fórmulas diversas desarrolladas por los especialistas en bioclimatología humana, las cuales dan la magnitud de los intercambios de calor en cada caso (común-mente en vatios). Si bien entre los objetivos del curso no se encuentra entrar en tales detalles, no está de más presentar a manera de ejemplo algunas de ellas, a efectos de que el estudiante tenga una idea de su aspecto:

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BALANCE TÉRMICO DEL CUERPO HUMANO Conocidos los modos básicos de producción e intercambio térmico entre el cuerpo humano y su entrono se puede plantear el siguiente esquema:

Intercambios térmicos entre el cuerpo y el ambiente

Cada uno de los procesos abreviados en la figura puede estimarse usando unidades de potencia energética. Si se sumasen todos en un momento dado, se sabría si la persona se calienta o se enfría:

M ± Cd ± Cv ± Rd ± R – Sd = Δ (W)

Δ, el resultado, de ser negativo indicaría que la persona se está enfriando, de ser positivo que se está calen-tando y de ser nulo que se encuentra en equilibrio térmico. Obsérvese que el calor metabólico M es siempre positivo (es siempre una producción de calor) y la evaporación del sudor Sd negativo (es siempre una pérdida de calor). A la ecuación anterior se le conoce como ecuación de balance térmico del cuerpo humano. Bien que lograr el equilibrio térmico sea lo deseable en el diseño térmico, éste no es una meta incondicional. Ocurre que el organismo no es pasivo ante las condiciones térmicas sino que posee mecanismos de autorregu-lación de la temperatura interna dirigidos a lograr el equilibrio bajo condiciones desfavorables. A veces es factible que lo logre pero al costo de crear incomodidad en la persona (por ejemplo, sudor). En consecuencia, se debe tener cuidado de no confundir confort térmico con equilibrio térmico: si bien el segundo es una con-dición necesaria para alcanzar el primero, no constituye una condición suficiente. La sensación de malestar térmico se genera en razón de que los órganos internos requieren funcionar a una temperatura muy concreta de 37ºC. Cuando el ambiente amenaza con cambiarla se activan mecanismos de adaptación, conscientes o inconscientes, cuyo fin es mantenerla. En términos coloquiales, el cuerpo reacciona y también avisa cuando las condiciones térmicas le sean desfavorables. Bajo condiciones ambientales muy perjudiciales en las que el equilibrio fuese inasequible por tiempo prolongado o cuando el metabolismo deje de actuar correctamente al punto de que la temperatura de los órganos internos baje hasta 30ºC o suba hasta 41ºC, la muerte se hace inminente (los resultados se conocen como hipotermia e hipertermia). El principal medio de transporte del calor corporal es la sangre. Cuando las condiciones ambientales se vuel-ven calurosas el primer mecanismo que se activa es la vasodilatación. Este mecanismo consiste en un aumen-to del caudal de la sangre que fluye en los conductos sanguíneos más cercanos a la superficie de la piel con el objeto de que el calor que la sangre trae de partes más profundas del cuerpo se transmita por convección a la piel y luego se emita al ambiente. Si el calor sigue aumentando se activan las glándulas sudoríparas, lo cual ocurre en primer lugar de manera no perceptible en forma de humedad en los poros, lo que se conoce como

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perspiración (en realidad la perspiración es una segregación de humedad que está siempre presente, al margen de las condiciones ambientales). De mantenerse el desequilibrio el sudor se presenta de manera manifiesta. En ambos casos la meta es que el equivalente al calor latente de vaporización sea tomado del calor sensible de la piel a fin de enfriarla. Por otro lado, existen una serie de acciones conscientes de adaptación dirigidas a mantener la temperatura interna a niveles tolerables como tomar agua, desvestirse o encender un ventilador. En el caso de ambientes fríos el primer mecanismo que se activa es la vasoconstricción, proceso contrario a la vasodilatación. La vasoconstricción viene normalmente acompañada de una erección de los folículos pilosos, lo cual aumenta la resistencia térmica de la piel. Si el frío sigue aumentando se generan convulsiones en los músculos cuyo fin es aumentar el calor metabólico (temblores). A mayor frío, el cuerpo deja de irrigar sangre a las partes del cuerpo más prescindibles para la vida como las extremidades, pudiendo éstas congelarse y desprenderse, lo que se conoce como congelación localizada. Demás está decir que lo anterior sólo ocurre cuando el individuo no pueda recurrir a acciones de adaptación como abrigarse, encender calefacción, etc. Otras acciones de adaptación son moverse con el fin de aumentar el calor metabólico o frotarse la piel para generar en ella calor. PARÁMETROS QUE AFECTAN EL CONFORT La sensación térmica varía con arreglo a una serie de parámetros de diverso tipo los cuales pueden clasificar-se como sigue (algunos de ellos son las variables que aparecen en las fórmulas presentadas en la página 3): - Parámetros físicos como la temperatura del aire, la humedad, la velocidad del aire y el entorno radiante. - Parámetros circunstanciales como la actividad, la vestimenta y el tiempo de permanencia en el ambiente. - Parámetros fisiológicos como la edad, el sexo y otras características de las personas. - Parámetros psicológicos y sociológicos como las expectativas, la condición social y la nacionalidad. La variación de cada parámetro afecta la manera como se percibe el ambiente térmico, por lo que la posibili-dad de lograr confort depende de ellos. En lo que sigue se explica la influencia de cada uno. PARÁMETROS FÍSICOS Temperatura del aire La temperatura del aire es corrientemente utilizada como índice del estado térmico de un ambiente. Sin em-bargo, a pesar de ser fundamental, es en la práctica insuficiente para explicar la sensación térmica que cabría esperar en un lugar determinado. Una evaluación más adecuada requiere necesariamente combinarla con al menos los demás parámetros físicos, específicamente, la humedad, la velocidad del aire y el entorno radiante. A la temperatura del aire se le llama en términos técnicos temperatura de bulbo seco (TBS) puesto que se mide con un termómetro de mercurio seco (si el mismo estuviera mojado la evaporación del agua lo enfriaría afectando la lectura), protegido de la radiación del entorno por medio de un contenedor de acabado exterior reflectante, el cual a su vez permite una renovación adecuada del aire (ver figura).

Izquierda: tres tipos de termómetros convencionales. / Derecha: termómetros de estación meteorológica protegidos de

la radiación y el agua (pantalla de Stevenson).

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Cuando la temperatura del aire esté por debajo de la temperatura de la piel se producirá una transferencia de calor por convección desde la piel hacia el aire. En caso contrario será el aire el que transfiera calor hacia la piel. Considerando que la temperatura de la piel es en promedio 33ºC, para que esto último ocurra el ambien-te debe ser cálido, con altas posibilidades de producir malestar térmico. Humedad del aire El aire se conforma de diversos gases como nitrógeno (78%), oxígeno (21%), argón (0.9%) y dióxido de car-bono (0.03%). Bajo condiciones atmosféricas normales contiene también cierta cantidad de vapor de agua, proveniente principalmente de la evaporación de mares, lagos y ríos y de la evapotranspiración del suelo y la vegetación. En ambientes cerrados habitados adquiere asimismo importancia la humedad producida por la evaporación del sudor de las personas y su respiración. La cantidad de vapor de agua que alcanza portar el aire varía fuertemente según su temperatura. Si el aire es caliente puede contener gran cantidad de vapor, llegando a constituir hasta 5% del volumen. Si en cambio es frío su capacidad de contener vapor es pequeña. De allí que si se enfriara progresivamente una parcela de aire se llegue a una temperatura llamada temperatura de rocío en la que el vapor de agua empezaría a condensarse. Del mismo modo, si se aumentara gradualmente el contenido de humedad de una parcela de aire manteniendo constante su temperatura se llegue a un punto en que el vapor comenzaría también a condensarse, denomina-do punto de saturación. En ambos casos se dice que el aire está saturado o con humedad relativa de 100%. En otras palabras, para esas combinaciones de temperatura y humedad el aire no puede contener más vapor. Si distintamente se tuviera, por ejemplo, a una temperatura dada, una humedad relativa de 50%, todavía cabría una cantidad absoluta de vapor equivalente a la que hay, siempre que no cambie la temperatura. Se deduce que existen dos maneras de expresar la humedad: en términos absolutos, como el contenido abso-luto de vapor de agua en el aire (humedad absoluta (HA), medida, por ejemplo, en gramos de vapor de agua por kilogramo de aire) y en términos relativos, como el porcentaje de vapor de agua que se tiene respecto de la saturación a una temperatura dada (humedad relativa (HR)). De allí que si se deseara averiguar con base en la humedad absoluta cuánto es la humedad relativa se deberá primero saber cuál es la temperatura del aire. El instrumento clásico para medir la humedad se llama psicrómetro. Consiste en un termómetro de mercurio ordinario que registra la temperatura de bulbo seco y de otro cuyo bulbo se mantiene humedecido. Al evapo-rarse el agua de este último se produce un enfriamiento, por lo que el registro del termómetro de bulbo húme-do será menor que el de bulbo seco. Cuanto más seco esté el aire mayor será la diferencia entre las dos lectu-ras pues la evaporación será más rápida y el enfriamiento más pronunciado. Obviamente, en un ambiente saturado (HR=100%) las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco serán iguales, pues no se evaporaría el agua (ya que el aire no admitiría más vapor). La temperatura de bulbo húmedo (TBH) se constituye así en una tercera forma de medir la humedad del aire siempre que se conozca a la vez la temperatura de bulbo seco.

Psicrómetro consistente en dos termómetros, uno de bulbo seco y otro de bulbo húmedo, y un diagrama para conocer

la humedad con base en las dos lecturas (foto tomada de: http://www.squ1.com/site.html).

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Otra manera de expresar la humedad es a través de la presión de vapor (medida en unidades de presión, como por ejemplo pascal (N/m2) o mm de mercurio). Ya se mencionó que el aire está constituido por diferentes gases. Cada cual tiene una presión parcial. La suma de las presiones parciales de todos los gases constituyen-tes (incluido el vapor de agua) es la presión atmosférica del aire. De modo que conociendo la presión atmos-férica y la presión de vapor se puede, para una temperatura dada, conocer la humedad absoluta y por ende la relativa o la temperatura de bulbo húmedo. De hecho, lo que se denomina capacidad evaporativa del aire lo da la presión de vapor: si ésta es muy alta se le hace más difícil a las moléculas de agua desprenderse de la superficie líquida para entrar al aire en forma de vapor. Es por ello que la evaporación se dificulta en ambientes muy húmedos. Cuando la presión de vapor se iguala a la presión de vaporización (presión que ejercen para una temperatura dada las partículas que salen del agua para convertirse en vapor) la evaporación neta se detiene. Se entiende ahora la importancia de la humedad del aire en la sensación térmica: es ella la que determina la eficacia de la evaporación del sudor, tanto en la piel como en los pulmones y vías respiratorias, condicionan-do la disipación del calor sensible del cuerpo. Es por ello que los climas cálidos y muy húmedos sean llama-dos coloquialmente “pegajosos”. Las relaciones físico-matemáticas entre la temperatura del aire, la humedad relativa, la humedad absoluta, la temperatura de bulbo húmedo y la presión de vapor son complejas. Por ejemplo, para calcular HR sobre la base de TBS y TBH se debe resolver un sistema de ecuaciones engorroso. Existen sin embargo programas de computación que proporcionan directamente el resultado (uno de ellos es “Psychrometer Calculator”, http://www.hutchrick.com). No obstante, la herramienta más utilizada –y más descriptiva respecto de muchas aplicaciones técnicas– para averiguar cómo se relacionan la temperatura y las diferentes maneras de medir la humedad es el llamado diagrama psicrométrico o diagrama de aire húmedo:

Diagrama psicrométrico

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Cualquier punto ubicado dentro del diagrama psicrométrico representa un estado higrotérmico del aire (higro-térmico: humedad + temperatura). La conjunción de la temperatura y la humedad da ya una idea de cuál es la sensación térmica que cabría esperar en un ambiente. Así, en una primera convención se pueden clasificar los diferentes tipos de clima con base en los valores que tomen estos dos parámetros:

Clasificación climática en el diagrama psicrométrico (http://www.arch.hku.hk/~cmhui/teach/fig6.jpg)

Velocidad del aire El aire que roza a las personas influye en la sensación térmica de dos maneras: modificando la cantidad de calor intercambiado por convección y aumentando la eficacia de la evaporación del sudor. Si la temperatura del aire es menor que la de la piel la ventilación puede incrementar significativamente las pérdidas convectivas de calor. Ello ocurre porque el aire en movimiento entra en contacto directo con la piel caliente al fluir alrededor de ella y porque la convección no sólo depende de la diferencia de temperatura entre el aire y la superficie a la cual roza sino de la velocidad con que lo haga. Por otro lado, por efecto de la viscosidad del aire se crea una capa próxima a la piel que se mantiene adherida a ella llamada de manera genérica capa límite. Si la velocidad del aire es nula o muy pequeña esta capa se calienta hasta temperaturas cercanas a la de la piel requiriéndose cierto grado de ventilación para renovarla. En adición, en climas regularmente húmedos (HR entre 50 y 80%) dicha capa se puede saturar como conse-cuencia de la evaporación del sudor, requiriéndose igualmente su sustitución por aire no saturado a los fines de mantener la eficacia de la evaporación. En ambientes muy secos (HR<40%) la evaporación es sobrada-mente eficiente, por lo que la velocidad del aire tiene poca incidencia en el proceso de enfriamiento evapora-tivo de la piel. En ambientes muy húmedos (HR>80%) la capacidad evaporativa del aire se hace tan baja que la velocidad del aire presenta igualmente poca incidencia en el proceso evaporativo. La velocidad del aire tiene consecuencias que van más allá del confort térmico y que vale mencionar. Una corriente de aire se hace perceptible cuando sobrepasa los 0.3 m/s. Por debajo de esas velocidades las perso-nas no perciben movimiento, cualquiera que sea el estado higrotérmico del aire. Por otro lado, dependiendo

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del uso del espacio, por encima de valores del orden de 1 a 2 m/s aparecen situaciones incómodas, pues co-mienza a darse una molestia por posibles ráfagas, al tiempo que una corriente de tales magnitudes puede vo-lar papeles y objetos ligeros o transportar polvo y tierra. Es interesante resaltar que por encima de 2 m/s cual-quier aumento de velocidad deja de tener influencia en el confort. La siguiente figura ilustra de manera gené-rica cómo más allá de esa velocidad el movimiento del aire deja de subsanar cualquier aumento de temperatu-ra que tienda a producir malestar. La razón es que el enfriamiento producido por corrientes de aire es tanto más efectivo cuanto menor sea la temperatura del aire con respecto a la temperatura de la piel.

Relación entre el confort, temperatura del aire y velocidad del aire (Rosales, basado en Santamouris et al)

La velocidad del aire se mide con anemómetros. Éstos pueden ser de aspas o de hilo caliente. Los primeros consisten en aspas sujetas a un eje, las cuales giran al paso de las corrientes de aire: a mayor velocidad de aire mayor velocidad de giro. Los segundos son pequeños sensores que consisten en un hilo metálico que al reci-bir las corrientes de aire se enfría en mayor o menor grado, dependiendo de la velocidad del mismo. La ener-gía necesaria para mantener la temperatura de dicho hilo constante en conexión con la temperatura del aire da la medida de la velocidad.

Distintos tipos de anemómetros (los dos de la izquierda son de aspas y el de la derecha, de hilo caliente).

Entorno radiante Como ya se explicó, los objetos fríos o calientes que rodean a un individuo, aún sin estar en contacto directo con él, afectan de manera importante la sensación térmica. Ello se debe a que absorben o emiten radiación electromagnética, la cual, al llegar a la piel, se convierte en calor, activando los mismos órganos sensitivos que actúan en los casos de la convección y la conducción. El intercambio neto radiativo entre dos cuerpos depende de su relación geométrica y es proporcional a su diferencia de temperatura y a su habilidad para emitir radiación. Dicha habilidad se expresa a través de una propiedad llamada emisividad, definida como la fracción de radiación emitida por un cuerpo con referencia a la radiación que emitiría el cuerpo negro teórico de Planck a la misma temperatura, cuya emisividad es igual a 1 (es decir, el cuerpo negro es aquel que emite la mayor cantidad de radiación para una temperatura dada).

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El entorno radiante se puede evaluar en la práctica (de manera simplificada) a través de la temperatura radian-te media, la cual se define como la temperatura superficial uniforme de un recinto hipotético de paredes “ne-gras” en el que se intercambiaría la misma cantidad de calor por radiación que en el ambiente real considera-do. Bien que se trate de un concepto abstracto, a la temperatura radiante media se le puede entender como el promedio de las temperaturas de las superficies del entorno real en la medida en que dichas temperaturas sean uniformes y tengan emisividades cercanas a la unidad. Así, en términos aproximados, un determinado entor-no tenderá a producir una sensación de calor si la temperatura de las superficies de los objetos que lo confor-man fuese mayor que la temperatura de la piel y de enfriamiento si fuese menor. La temperatura radiante media puede convertirse en el más importante de los parámetros de confort en zonas cálidas y soleadas debido a las altas temperaturas que pueden alcanzar los objetos, aunado a que la piel tiene una importante emisividad (0.97) y a la vez absorbe radiación electromagnética con mucha facilidad. A la temperatura radiante media se le puede calcular a partir de la lectura de un termómetro normal cuyo bulbo está co-locado dentro de una esfera metálica de unos 10 cm de diá-metro y pintada de color negro mate. El termómetro inter-cambia calor directamente con el aire e indirectamente con las superficies del entorno como resultado del intercambio radiativo que se genera entre éste y la esfera negra (inter-cambio que puede enfriar la esfera o calentarla dependiendo de cuál esté más caliente, modificando luego la temperatura del aire que se encuentra en ella). Al resultado de esa lectu-ra se le denomina temperatura de bulbo negro (TBN).

Equipo para medir TBN

Conocida la temperatura de bulbo negro se procede a calcular la temperatura radiante media. Diversas fórmu-las se han propuesto para ello, siendo la más simple (aunque no tan precisa) la que considera que la tempera-tura de bulbo negro es un promedio entre la temperatura radiante media y la temperatura de bulbo seco (nota: esta fórmula supone ausencia de corrientes de aire):

TBSTBNTRMTBSTRMTBN −=⇒+

= 22

Donde: TBN = Temperatura de bulbo negro

TRM = Temperatura radiante media TBS = Temperatura de bulbo seco

Vale observar que en ambientes protegidos del sol la temperatura radiante media tiende a parecerse a la del aire pues las superficies de los objetos tienden a igualar su temperatura con la del aire. Contrariamente, en un entorno de objetos calentados por el sol la temperatura radiante media puede alcanzar valores muy superiores a la temperatura del aire, con consecuencias que pudieran ser muy nocivas para el confort en climas cálidos. PARÁMETROS CIRCUNSTANCIALES La actividad, la vestimenta y el tiempo de permanencia en un determinado ambiente constituyen parámetros importantes del confort térmico. Con relación a la actividad, ya se explicó su relación directa con el metabo-lismo, por lo que no se le tratará en el presente apartado. El tiempo de permanencia es un factor que cobra importancia cuando se analiza el confort en lugares en que los individuos no permanecen por mucho tiempo. En tales casos las exigencias resultan algo más flexibles, debido a que ante un cambio térmico el organismo requiere de unos 15 a 30 minutos para completar –o inten-

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tar hacerlo– su labor de autorregulación (es por ello que en estudios experimentales de confort se espera ese tiempo antes de interrogar a los voluntarios acerca de la sensación térmica). En cuanto a la cantidad y tipo de ropa, éstas alteran de manera importante los intercambios de calor entre la piel y el ambiente. Esto se debe sobre todo a su efecto térmico aislante. De hecho, el efecto aislante de la ropa es tan grande que permite sobrevivir bajo temperaturas incluso menores que –20ºC. A fin de estudiar la influencia de la ropa en la sensación térmica, a ésta se la clasifica en función de su grado de aislamiento térmico. Las unidades normalmente usadas para medir el aislamiento térmico son m²ºC/W, pero en el caso de la ropa se opta por una unidad llamada Clo (del inglés, “clothes”). 1 Clo equivale a un ais-lamiento térmico de 0.155 m²ºC/W. La escala de Clo se basa en que una persona desnuda tiene Clo=0 y un hombre vestido con un traje de negocios tiene Clo=1. Para averiguar cuántos Clo corresponden a un atuendo conformado por varias piezas individuales simplemente se suma el valor de Clo de cada una.

DESCRIPCIÓN DE LAS PRENDAS RESISTENCIA TÉRMICA Icl (clo)

ROPA INTERIOR -

Calzoncillos 0.03

Calzoncillos largos 0.10

Camiseta de tirantes 0.04

Camiseta de manga corta 0.09

Camiseta de manga larga 0.12

Sujetadores y bragas 0.03

CAMISAS BLUSAS -

Manga corta 0.15

Ligera, mangas cortas 0.20

Normal, mangas largas 0.25

Camisa de franela, mangas largas 0.30

Blusa ligera, mangas largas 0.15

PANTALONES -

Corto 0.06

Ligero 0.20

Normal 0.25

VESTIDOS - FALDAS -

Falda ligera (verano) 0.15

Falda gruesa (invierno) 0.25

Vestido ligero, mangas cortas 0.20

Vestido de invierno, mangas largas 0.40

PULLOVER -

Chaleco sin mangas 0.12

Pullover ligero 0.20

Pullover grueso 0.35

CHAQUETA -

Chaqueta ligera de verano 0.25

Chaqueta normal 0.35

FORRADAS CON ELEVADO AISLAMIENTO -

Mono de trabajo 0.90

Pantalon 0.35

Chaqueta 0.40

PRENDAS EXTERIORES DE ABRIGO -

Abrigo 0.60

Chaqueta larga 0.55

Parka 0.70

Mono forrado 0.55

DIVERSOS -

Calcetines 0.02

Medias de nylon 0.03

Zapatos de suela delgada 0.02

Zapatos de suela gruesa 0.04

Botas 0.10

Guantes 0.05

Aislamiento térmico de la ropa (tomado de: http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/Entrega.asp?identrega=453)

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PARÁMETROS FISIOLÓGICOS Factores como la edad de las personas o su sexo afectan en principio la percepción del entorno térmico, fun-damentalmente por las variaciones en la producción metabólica que comportan. En términos generales, las personas de sexo femenino y las de edad avanzada producen menos calor metabólico, haciendo que sean más propensas al frío y más lentas a adaptarse a condiciones térmicas cambiantes. Por otro lado, las mujeres tie-nen menor cantidad de vasos sanguíneos cerca de la superficie de la piel y las personas de edad avanzada sufren deficiencias en la circulación, lo que genera en ambas una reacción más lenta a los cambios de tempe-ratura. Sin embargo, los experimentos realizados al respecto muestran resultados difíciles de generalizar de-bido a las variaciones continuas que los individuos experimentan en sus procesos hormonales y su estado general de salud –cuyo discernimiento no siempre es posible para el individuo– lo cual afecta a su vez el me-tabolismo y la percepción del entorno térmico. PARÁMETROS PSICOLÓGICOS Y SOCIOLÓGICOS Estudios recientes muestran que existe relación entre las expectativas psicológicas ante determinado ambiente térmico o el clima en que se vive y la sensación de confort térmico. Por ejemplo, se ha constatado que los requerimientos son más estrechos en ambientes con aire acondicionado. Igualmente, que los habitantes de climas tropicales se sienten confortables bajo condiciones que resultarían calurosas para habitantes de climas fríos. Si bien tales evidencias no han sido esclarecidas a la fecha con rigor, se presume que se da una adapta-ción de la percepción de la información sensorial, la cual puede ser significativamente atenuada por las expe-riencias personales y las expectativas con relación a determinado clima, llevando a una disminución de la intensidad con que se le percibe. Por otro lado, pudiese también presumirse un proceso fisiológico consistente en una adaptación genética de los grupos humanos al clima en que se desenvuelven. Sin embargo, estudios de laboratorio en cámaras climáticas han revelado que individuos originarios de países con climas muy disímiles pero viviendo en una misma zona geográfica muestran prácticamente la misma apreciación de confort. Lo que en realidad pareciera darse es efectivamente una adaptación de los mecanismos sensoriales y termorregu-ladores del cuerpo –los cuales toman días o semanas– como respuesta a determinadas condiciones térmicas. CONCEPTO DE TEMPERATURA OPERATIVA Antes de presentar los principales índices de confort térmico es necesario introducir el concepto de tempera-tura operativa (concepto que puede interpretarse como un índice de confort más). La temperatura operativa se define como la temperatura de bulbo seco de un recinto uniforme (TBS = TRM) y sin corrientes de aire en el cual una persona intercambiaría la misma cantidad neta de calor por convección y radiación que en el recinto real considerado (el cual pudiera presentar corrientes de aire y TBS ≠ TRM). La idea de tal concepto es iden-tificar con una temperatura de bulbo seco específica (considerada bajo condiciones específicas) el intercam-bio neto convectivo y radiativo que se produce en un ambiente cualquiera. De esta forma se engloban los efectos de la temperatura del aire, la temperatura radiante media y la velocidad del aire. Calcular la temperatura operativa con exactitud implica conocer las variables que regulan los intercambios convectivos y radiativos entre el cuerpo humano y su entorno, lo cual puede resultar complejo. No obstante, se puede apelar a la siguiente fórmula aproximada, a condición de que la velocidad del aire no exceda 1 m/s (Nota: adviértase que cuando v = 0 la temperatura operativa equivale a la temperatura de bulbo negro):

vaconTRMaTBSaTO 25.05.0:,)1(. +=−+= Donde: TO = Temperatura operativa (ºC) y v = velocidad del aire (m/s) Con base en la sensación térmica que manifiesten las personas en experimentos hechos para tal fin se pueden luego definir valores deseables de TO (es decir, del efecto combinado de TBS, TRM y v) siempre que se in-dique cuánto valen el resto de los parámetros de confort. El siguiente diagrama muestra los valores óptimos de la temperatura operativa para HR = 50% y diversos tipos de actividad y vestimenta.

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Temperatura operativa óptima en función de la vestimenta y la actividad (HR = 50%)

ÍNDICES DE CONFORT La sensación térmica se valora en la práctica a través de los llamados índices de confort. Estos surgieron de la necesidad de estimar los efectos combinados de los parámetros que intervienen en los intercambios entre el cuerpo humano y el ambiente sobre las respuestas fisiológicas y sensoriales de las personas a fin de expresar cualquier combinación a través de un valor único. En principio, mientras más parámetros se incluyan más precisa será la evaluación. Sin embargo, la práctica muestra que a veces los más complicados no son siempre los más exactos y los más simples no son siempre los más fáciles de aplicar. Dos lugares pudieran tener condiciones muy disímiles de temperatura, humedad, velocidad de aire y radia-ción pero un mismo índice de confort, revelando que producen una misma sensación térmica. Debido a que las personas no son siempre sujetos de experimentación semejantes, constantes o lógicos, la definición de los rangos en que estos índices se corresponden con las condiciones de confort térmico se hace sobre la base estadística de encuestas (el enfoque puede ser empírico cuando las encuestas se hacen en campo o analítico cuando se hacen en cámaras climáticas). Dependiendo del tipo de edificación se pueden despreciar algunos parámetros, fijar otros (por ejemplo, la vestimenta o la actividad) y considerar la variación de los más signifi-cativos, que son los parámetros físicos del ambiente. Los índices de confort conforman los requerimientos térmicos. El arquitecto debe diseñar para que los espa-cios cumplan con valores admisibles de estos índices. Hasta la fecha se han planteado decenas de ellos. De todos, los más conocidos son la temperatura efectiva estándar, el PMV (“Predicted Mean Vote”, cuya traduc-ción aproximada sería “dictamen promedio previsto”) y los llamados modelos de adaptación (Nota: estos tres son los únicos que hasta la fecha hayan sido incorporados en normas internacionales: la temperatura efectiva estándar fue la base de la norma ANSI/ASHRAE 55-1981 y el PMV fue reglamentado en la norma ISO/CEN 7730-1993. Ambas normas han sido actualizadas varias veces, siendo la actualización más reciente la efec-tuada en la norma ASHRAE 55 (actualización emitida el 07/08/2004). Allí se introduce una nueva manera de calcular el PMV, se le combina con la temperatura efectiva estándar y se propone un índice de adaptación para ser usado en edificaciones acondicionadas por medios pasivos). Temperatura efectiva estándar El índice de temperatura efectiva estándar (TES) (en inglés SET: “standard effective temperature”) fue con-cebido en los años 70 por los investigadores Gagge y Nishi (su definición parte del índice de temperatura

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efectiva planteado en 1923 por Houghton y Yagloo). Se le define como la temperatura de bulbo seco de un recinto uniforme (TBS = TRM), sin corrientes de aire y humedad relativa igual a 50% en el cual las personas, portando ropa ligera (0.6 clo) y realizando una actividad sedentaria (1 met), tendrían, luego de una hora, el mismo intercambio neto de calor por radiación, convección y evaporación que en el ambiente real considera-do (y por ende la misma sensación térmica). La premisa es que cualquier condición ambiental pueda valorar-se por medio de un valor de temperatura efectiva estándar relacionado con una sensación térmica específica. Esta relación fue investigada por medio de encuestas, dando como resultado la siguiente escala:

TES (ºC) Sensación de temperatura Sensación de confort Procesos reguladores Límite tolerable Evaporación del sudor ineficaz

40 -- ---------------------------------- ------------------------------- ------------------------------------------- Muy caliente Malestar acentuado Mucho sudor

35 -- ----------- Caliente------------ --------- Malestar ---------- ------------------------------------------- Sudor visible Cálido Malestar leve

30 -- ---------------------------------- ------------------------------- ------------------------------------------- Ligeramente cálido

25 -- ------------Neutro ------------ -------- Confortable ------- --------- Ausencia de sudor ---------- Fresco

20 -- ---------------------------------- ------------------------------- ------------------------------------------- Ligeramente frío Malestar leve Acciones conscientes de adaptación

15 -- ---------------------------------- ------------------------------- ------------------------------------------- Frío

10 -- ---------------------------------- ------------------------------- -------------- Temblores --------------- Muy frío Malestar

Respuesta humana frente a diferentes temperaturas efectivas estándar (tomado de Santamouris et al)

Con la finalidad de dar cuenta de todo tipo de ambientes (es decir, con la finalidad de identificar con un valor de temperatura efectiva estándar ambientes con combinaciones variables de los principales parámetros de confort) se trazaron luego líneas de igual temperatura efectiva estándar (o líneas de igual sensación térmica) y subsiguientemente zonas de confort apelando al diagrama psicrométrico y al concepto de temperatura opera-tiva (de esta forma se agregan la temperatura del aire, la temperatura radiante media, la velocidad del aire y la humedad). La siguiente figura muestra las zonas de confort cuando la actividad que se realice sea ligera y se lleve puesto, bien sea ropa de invierno, bien sea ropa de verano (tomado de ASHRAE Fundamentals).

Líneas de igual temperatura efectiva estándar y zonas de confort para invierno y verano

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Nótese que cada zona de confort está limitada por dos valores de temperatura efectiva estándar (para ropa de invierno: 20 y 23.9ºC y para ropa de verano: 22.8 y 26.1ºC). Nótese también que en ambos casos los valores de humedad absoluta están comprendidos entre 4 g/kg y 12 g/kg. Esto último se basa en las siguientes razo-nes: a) por debajo de 4 g/kg se presentan contrariedades por el resquebrajamiento de las glándulas nasales y los labios, entre otras inconveniencias, y b) a 12 g/kg la presión de vapor se iguala a la presión de vaporiza-ción del sudor (cuya temperatura es similar a la de la piel), por lo que por encima de este valor (y siempre que no haya ventilación) la evaporación del sudor se detiene. Índice PMV (“Predicted Mean Vote”) o índice de Fanger El PMV es un índice propuesto por el investigador danés Ole Fanger (por lo que también se le conoce como índice de Fanger) y es el que se recomienda usar en la norma internacional ISO 7730. Consiste en una com-pleja ecuación que demanda la introducción de la temperatura del aire, la temperatura radiante, la humedad, la velocidad del aire, la resistencia térmica de la ropa y el metabolismo, entre otras variables. El resultado, el cual varía de –3 a +3, se coteja con una escala (escala ASHRAE) que indica la sensación térmica correspon-diente (-3 indicando una sensación de frío intenso, 0 una sensación de confort óptimo y +3 una sensación de calor sofocante).

Ecuación estadística para calcular el PMV (Santamouris et al – Passive cooling of buildings)

Si bien la fórmula anterior es bastante compleja, ésta se puede programar en una computadora, de modo que se le pueda utilizar sin dificultad. En la siguiente figura se muestra la pantalla del módulo “Comfort” del pro-grama de computación PEM desarrollado en el marco del proyecto europeo PASCOOL.

Módulo para el cálculo del PMV del programa PEM

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Fanger, al constatar que en ninguna circunstancia el 100% de las personas manifestaron estar completamente satisfechas con condiciones específicas, propuso como complemento del PMV el índice PPD (del inglés “Pre-dicted Percent of Dissatisfied”), el cual expresa el porcentaje de personas descontentas en función del PMV (ver siguiente figura). Nótese que incluso en la situación más favorable (es decir, cuando PMV=0) 5% de las personas manifestaron sentirse insatisfechas con su entorno térmico.

PPD: porcentaje de personas inconformes con el ambiente térmico en función del PMV

Es importante acotar que uno de los problemas del índice PMV es que desatiende el efecto de la velocidad del aire en la evaporación del sudor. Es por ello que se recomienda su aplicación básicamente en ambientes mo-derados en los cuales el sudor no se presente de forma manifiesta (de hecho, el mismo título de la norma ISO 7730 lo señala) y se desaconseja su aplicación en ambientes cálidos en los cuales la relación entre la veloci-dad del aire y el enfriamiento por evaporación del sudor cobra importancia. Modelos de adaptación A los índices anteriores basados en estudios en cámaras climáticas se les califica como estáticos, pues miran al individuo como un receptor pasivo del estímulo térmico, cuyo efecto depende únicamente de procesos físicos entre él y su entorno y de mecanismos fisiológicos que se activan en respuesta. En la práctica se han mostrado algo inexactos en los casos que se salen de las hipótesis y contextos en que fueron definidos. En oposición surgieron los llamados modelos de adaptación, los cuales atienden factores como los demográficos (sexo, edad, estatus económico), de contexto (uso de la edificación, clima) y cognitivos (actitudes, reaccio-nes, preferencias, expectativas). Las investigaciones con estos modelos han dado resultados aleatorios y algo polémicos; sin embargo, son actualmente objeto de atención respecto de factores que despuntan objetivamen-te como influyentes como las expectativas ante determinado clima, al tiempo que comienzan a ser vistos co-mo herramientas que permitirían flexibilizar la rigidez de los modelos estáticos, plantear nuevos índices ade-cuados a casos particulares y ampliar el campo de acción de las normas. Al considerar que el confort está influenciado por procesos de adaptación (conscientes e inconscientes) que activan las personas a objeto de acomodarse a determinadas condiciones térmicas, estos modelos plantean índices menos restrictivos y más amplios, lo que aumenta el grado de libertad del diseñador de edificaciones. Ello es sobre todo oportuno en edificaciones diseñadas para funcionar por medios pasivos (es decir, edifica-ciones no climatizadas con equipos electromecánicos de enfriamiento o calefacción), en las cuales las condi-ciones ambientales son fluctuantes por responder a las fluctuaciones del clima de la zona (lo que en inglés se denomina “free running buildings”, algo así como “edificaciones funcionando libremente”). Por ejemplo, quitarse o ponerse una chaqueta produce un cambio de ±0.35 Clo, lo que autoriza un cambio de temperatura del aire de ±2.2ºC, sin que ello conlleve un desmejoramiento del confort. Otro ejemplo: tomarse un vaso de agua fría produce una variación de –0.12 Met, lo que autoriza un aumento de la temperatura del aire de 0.9ºC. Debido al carácter empírico de los modelos de adaptación los experimentos destinados a definirlos conllevan gran cantidad de encuestas de campo y múltiples tratamientos estadísticos relativos a las acciones de adapta-

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ción y la percepción que tienen las personas del clima en el que habitan. Hasta la fecha son varios los índices que se han derivado de tales trabajos. Algunos definen una temperatura de confort (temperatura del aire de-seada si el ambiente es uniforme o temperatura operativa deseada si no es uniforme) dependiente de las con-diciones climáticas de cierto lapso de tiempo. En otras palabras, la hipótesis es que la sensación de confort se adapta al clima. Como ejemplo se puede mencionar un índice propuesto a finales de los años 70 por el britá-nico Humphreys, consistente en definir esta temperatura de confort en función de la temperatura media exte-rior (mensual o anual) para edificaciones climatizadas por medios pasivos:

mediaconfort TT 534.09.11 += A fin de atender la variabilidad de las respuestas de las personas y las acciones que éstas emprenden para adaptarse al ambiente se acostumbra aceptar un rango de ±1.75ºC cuando el cálculo se hace con base en la temperatura media mensual y de ±2ºC cuando se hace con base en la temperatura media anual. Por ejemplo, en la siguiente figura se muestra el rango de temperatura de confort mes a mes para la ciudad de Calabozo según Humphreys (basado en los datos meteorológicos de la Fuerza Aérea Venezolana del año 2000).

Temperatura de confort mes a mes según Humphreys para la ciudad de Calabozo.

Otro índice de adaptación muy usado en la actualidad es el llamado índice de temperatura neutral (formulado por los investigadores Auliciems y De Dear a mediados de los años 80), el cual se define como el promedio de los valores de la temperatura del aire (u operativa si el ambiente no es uniforme) para los cuales las perso-nas manifiestan no sentir ni frío ni calor. Al igual que con la temperatura de confort y como resultado de gran número de encuestas de campo, la temperatura neutral se relaciona con el promedio de la temperatura del aire de una región para lapsos de un mes o un año y está dirigido a edificaciones climatizadas por medios pasivos:

medianeutral TT 31.06.17 += Nota: tanto la temperatura de confort como la temperatura neutral intentan dar con una temperatura ideal de confort en función de la temperatura media de la región. Sin embargo, es evidente que ambas proporcionan valores diferentes. Tal discrepancia refleja de hecho la dificultad de definir con claridad un índice de confort térmico empleando las premisas empíricas de los modelos de adaptación. Partiendo del valor que tome la temperatura neutral –y esto se puede hacer también con la temperatura de confort– y con ayuda del índice de temperatura efectiva estándar, se pueden representar en el diagrama psi-

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crométrico zonas de confort mensuales o anuales dependientes del clima. Resumidamente, el procedimiento consiste en ubicar sobre la curva de HR=50% el punto de temperatura igual a la temperatura neutral, trazar a ambos lados, a una distancia de 2ºC, líneas de igual temperatura efectiva (1.75ºC en caso de que se dibuje la zona de confort de un mes específico) y terminar de acotar la zona de confort con las líneas horizontales de humedad absoluta 4 g/kg y 12 g/kg (para una explicación más detallada del procedimiento puede consultarse: http://architecture.arizona.edu/architecture/academic/graduate/peyush/index.html). A manera de ejemplo se presentan las zonas de confort que se obtienen usando la temperatura neutral para dos ciudades venezolanas de clima distinto, Mérida y Calabozo, considerando corrientes de aire nulas, ropa casual, actividad sedentaria y temperatura radiante igual a la del aire (realizado con los datos meteorológicos de la Fuerza Aérea Venezolana para el año 2000 y con el programa WEATOOL, http://www.squ1.com/).

Zonas de confort basadas en la temperatura neutral para Mérida y Calabozo (realizado con el programa WEATOOL

1.20, http://www.squ1.com/)

------------------------------- LR/actualizado en abril 2006

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