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Artículos - Ingeniería
Escrito por Jesús Soto   
jueves, 23 de octubre de 2008

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Quería desarrollar este artículo de investigación aplicada desde aquel asunto de la corbata de Miguel Sebastián, con la finalidad de aportar una explicación técnica de la medida transversal nº21 del plan de ahorro para el horizonte 2008-2011, presentado por el ministro de industria en el Congreso de los Diputados a finales de Julio, y que versa sobre la "Limitación de temperatura en el interior de los edificios climatizados no residenciales, excluyendo a los hospitales". Según esta medida, las condiciones interiores de estos edificios no podrán bajar de 26 grados en verano ni superar los 21 en invierno.

Aunque se trata de un artículo de la serie "Sensación Térmica" con una fuerte base técnica, voy ha hacer un esfuerzo por hacerlo ameno, breve y comprensible por cualquiera, independientemente de su solvencia técnica.

 

PORCENTAJE DE PERSONAS TÉRMICAMENTE INSATISFECHAS

 

Desde siempre tengo un gran interés por los sistemas de climatización. Siendo un chaval criado en Segovia, mi mayor ilusión era residir en Andalucía para dejar de padecer los fríos invernales de mi hogar. Preferiblemente al lado de la playa. Solemos querer aquello que no tenemos.

¡Deseo concedido! Durante largos períodos, tanto mi familia como yo hemos disfrutado del buen clima y de las olas del mar. Es curioso observar que al poco tiempo de tener algo tan a mano, tan asequible, dejas de ansiarlo y lo desmitificas. Tu evaluación de "lo ansiado" se vuelve más objetiva ... ¿o no?

Con los años descubrí, mediante autoanálisis, un hecho que me hizo profundizar más aún en la base de las instalaciones de clima. Considero que mi capacidad de trabajo es más que aceptable (aunque conozco varios casos que me dejan corto). Sin embargo, cuando desarrollo mi actividad fuera de unos rangos de confort térmico concretos, y aunque mi ritmo laboral no disminuya de forma apreciable, los resultados sí lo hacen. Al alejarse un poco más esos límites de bienestar de mis valores óptimos personales, comienza también a disminuir mi capacidad de razonamiento y aumenta mi agresividad. Cualquier chorrada puede convertir a la persona tranquila (aparentemente) que creo ser en un pequeño HULK con gafas y barba que no sabe porqué está dando voces. Al igual que dejar de fumar, una mala sensación térmica reduce el nivel de estrés soportable por el individuo.

Uno de estos motivos u otro similar fue seguramente lo que impulsó a un señor llamado Fanger, hace ya años, a preguntarse cuales eran las condiciones de confort ideales para que todo el mundo estuviese a gustito dentro de un local cerrado, donde se pudiesen manipular con mayor facilidad determinados aspectos que influyen en el bienestar térmico humano (por que en la calle a ver cómo paras el viento).

Lo primero que hizo fue establecer una serie de parámetros que afectan a nuestro confort y que describo a continuación de forma muy resumida:

  • Aislamiento térmico de la ropa: Cuanto más abrigados estemos, menos frío pasaremos en invierno, y al revés, cuanto más ligerita sea la ropa, menos calor tendremos en verano. La unidad para este parámetro es el "clo" y existen relaciones detalladas del valor estimado de aislamiento para cada prenda de ropa, e incluso para vestimentas completas (incluyendo la corbata de Miguel Sebastián). Pero basta recordar dos valores medios: en verano el aislamiento térmico completo de la ropa que llevamos viene siendo de 0.5 clo y en invierno de 1.0 clo. Es una aproximación a los valores medios usuales en residencias y oficinas.

  • Producción de energía metabólica: Al desarrollar cualquier actividad, incluso dormir, tenemos la mala costumbre de generar calor. Cuanto mayor sea el esfuerzo, mayor será el calor generado. La unidad para esta variable es el "met", y como en el caso anterior, están disponibles tablas detalladas de las estimaciones de producción de energía metabólica para cada actividad. En este caso, la aproximación a los valores medios usuales de trabajo sedentario en residencias y oficinas es de 1.2 met. A modo de ejemplo, otros valores tabulados son:

    • Tumbado: 0.8 met
    • Sentado, relajado: 1.0 met
    • Algunas tareas domésticas (actividad media): 2.0 met
    • Marcha en llano - 2 km/h: 1.9 met
    • Marcha en llano - 5 km/h: 3.4 met
  • Temperatura del aire: Está claro. No obstante es increíble la cantidad de personas, ingenieros y arquitectos incluidos, que consideran este parámetro como el único que afecta al confort térmico humano. Es probable que sea debido a la su fácil lectura mediante termómetros de todo tipo.

  • Temperatura radiante media: ¿Y eso qué es? Esta gran desconocida influye tanto o más que la temperatura del aire. Todos los cuerpos que nos rodean, en mayor o menor medida, tienen la facultad de absorber calor cuando están en un entorno más caliente que ellos y cederlo mediante radiación cuando dicho entorno es más frío. Por ejemplo, en invierno con la calefacción puesta, la temperatura en la superficie de los cristales de las ventanas estará muy por debajo de la temperatura superficial de paredes, suelo y techo. ¿Y con qué trasto lo mido? Se puede hacer una media de todas las temperaturas superficiales de los elementos que nos rodean, medidas con "termómetros de superficie" (no lo recomiendo), o utilizar un artilugio llamado "termómetro de globo", que da el valor exacto sin mayores complicaciones. Dado que estos dispositivos no están muy difundidos, la sabiduría popular a preferido prescindir de este parámetro. Su unidad, al igual que para la temperatura del aire, es el ºC.

  • Velocidad relativa del aire: Esta es más fácil. En verano ¿quién no se ha anclado un ratito frente a un ventilador para mitigar el calor?, o ¿quién no se ha abanicado nunca, aunque sea con una improvisada revista u hoja de papel? O al contrario, ¿quién no se ha quedado tieso de frío alguna vez al caerle un chorro de aire? La velocidad absoluta del aire se mide con un anemómetro, y la velocidad relativa se obtiene considerando esa velocidad absoluta y el grado de producción metabólica. Podemos entender esto con un ejemplo: si estoy corriendo a una velocidad de 1 m/s contra un viento de 2m/s, la velocidad relativa (la que percibo en realidad) será la suma de ambas velocidades, es decir 3 m/s. Usaremos como unidad los "m/s".

  • Humedad relativa: Esta tampoco es difícil, ya que también han proliferado en las últimas décadas los higrómetros (aunque con márgenes de error enormes). Estos aparatos nos dan la proporción de agua que contiene en aire, en forma de vapor. Cuando su valor es muy bajo observamos que se nos resecan las mucosas y cuando su valor es del "100%, es que estamos dentro de una nube y no somos capaces de ver nuestros propios pies. Se mide en "%", y aunque la sabiduría popular le confiere una gran importancia, es probablemente la variable que menos influye en nuestro bienestar térmico.

Hay algunos parámetros adicionales, pero vamos a prescindir de ellos por su escasa incidencia en el grado de confort térmico.

Lo segundo que hizo el amigo Fanger, fue construir un local con las instalaciones precisas para poder variar todas estas magnitudes a su antojo.

Y lo tercero, buscar montones de voluntarios (supongo que eran voluntarios) para someterlos a completas gamas de condiciones de confortabilidad, procediendo posteriormente a la confección de un sistema estadístico basado en los resultados de las encuestas de estos sujetos. Tras 1300 encuestas y muchas más respuestas, Fanger fue capaz de elaborar un conjunto de ecuaciones más largas que mi brazo, en la que intervienen los parámetros descritos, dando como resultado un valor llamado "VOTO MEDIO ESTIMADO" (PMV).

El voto medio estimado cubre un rango de valores que van de -3.0 a +3.0, y cada valor refleja una evaluación térmica del ambiente:

  • PMV = +3.0 .- muy caluroso
  • PMV = +2.0 .- caluroso
  • PMV = +1.0 .- ligeramente caluroso
  • PMV = 0.0 .- neutro (condiciones óptimas)
  • PMV = -1.0 .- ligeramente fresco
  • PMV = -2.0 .- fresco
  • PMV = -3.0 .- frío

El amigo Fanger también observó, que nunca, con ninguna combinación de parámetros, conseguía que todo el mundo estuviese totalmente a gusto. Jamás se obtiene una combinación que satisfaga completamente al 100% de los sujetos participantes en el ensayo. Siempre aparecían un mínimo del 5% de raritos que tenían algo de fresquito o de calor.

Se ideó entonces otro parámetro, al que llamaron "PORCENTAJE ESTIMADO DE INSATISFECHOS" (PPD), que es función directa del PMV, y en consecuencia nos da el porcentaje de personas que se hallan térmicamente incómodas para unas condiciones determinadas por los parámetros anteriores.

Quiero hacer notar que para cada PPD existen dos valores de PMV. Esto se puede explicar mejor mediante la siguiente gráfica:

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Para un porcentaje dado de insatisfechos del 20%, habrá que añadir también si dicha insatisfacción o malestar es debida a la sensación de frío o de calor, correspondiéndose entonces con un valor de PMV del -0.84 ó del +0.84 respectivamente.

 

CALCULADORA DE SENSACIÓN TÉRMICA

Para uso y disfrute de quienes tengan algún interés en el tema, o para aquellos técnicos que tiraron la toalla cuando tuvieron que enfrentarse a las ecuaciones kilométricas de Fanger, hemos decidido implementarlas en una aplicación online dando como resultado una simpática "calculadora de sensación térmica".

Con esta herramienta se obtienen como resultados tanto el porcentaje de insatisfechos como el voto medio estimado. Es interesante jugar con ella para ver qué porcentaje de personas estarán incómodas variando las magnitudes, recordando que siempre habrá un mínimo del 5%. También es válida como utilidad técnica para aquellos proyectos de instalaciones de climatización donde las condiciones interiores de diseño se quieran salir de los valores habituales o afinar en extremo. Muy útil para proyectos como gimnasios, piscinas cubiertas, vestuarios, auditorios, centros de talasoterapia ...

También puede explicar el típico caso de la chica de la oficina que en verano siempre está pelada de frío. Para evitarlo abre las ventanas más próximas y consigue dos cosas: aumentar el número de personas insatisfechas en la oficina, que ahora se asan de calor, y volver loco al sistema de acondicionamiento de aire.

Desarrollemos un ejemplo con los valores de nuestro amigo Miguel Sebastián: 21ºC en invierno y 26ºC en verano. Planteamos la hipótesis de igualar las dos temperaturas que intervienen, unas velocidades medias del aire de 0.0 m/s en invierno y de 0.19 m/s (la máxima admisible según el RITE) y los usuales valores medios para el resto de los parámetros. Introduzca en la calculadora:

  • Invierno:
    Datos de entrada: 1.0 clo, 1.2 met, T = 21ºC, Trad = 21ºC, Vabs = 0.0 m/s, Hr = 50%
    Resultado: PPD = 5.18% y PMV = -0.095
  • Verano:
    Datos de entrada: 0.5 clo, 1.2 met, T = 26ºC, Trad = 26ºC, Vabs = 0.19 m/s, Hr = 50%
    Resultado: PPD = 5.11% y PMV = +0.073

Como se puede apreciar en los resultados, las condiciones no son óptimas, sino inmejorables. Intuyo que Miguel Sebastián está bien asesorado en este aspecto.

Otra aplicación de la calculadora que me viene a la cabeza mientras escribo el artículo, es la posibilidad de forzar algunas situaciones. Por ejemplo, si alguien ofrece un ágape informal para 50 personas en un local donde se pueden controlar las condiciones higrotérmicas y de velocidad de aire de ventilación, y se presentan 150 personas, se pueden establecer unos valores que consigan un 66% de insatisfechos, de forma que en un breve espacio de tiempo el número de asistentes se reduzca a un tercio.

La aplicabilidad de este método viene limitada por los valores inferior y superior de cada parámetro, según refleja la leyenda adjunta a la aplicación. También deben considerarse diferencias inferiores a 4ºC entre la temperatura del aire y la temperatura radiante media. La aplicación no implementa en esta versión el "Porcentaje de insatisfechos por corrientes de aire" (DR). Sí está implementado el cálculo automático de la velocidad relativa a partir de la velocidad media y del grado de actividad metabólica.

Por último, esta aplicación forma parte de un "experimento colaborativo", ya que su evolución dependerá de las aportaciones y consideraciones realizadas a través del "foro de construcción sostenible y habitabilidad" dentro del entorno "Foros de sostenibilidad y consumo responsable".

 

EL MÉTODO DE FANGER EN LA ACTUALIDAD

Se trata del método más aceptado para la evaluación de ambientes témicos en el interior de locales. Tanto es así, que se creó una normativa alrededor suyo: la Norma UNE-EN ISO 7730. Más recientemente, dicha norma fue incorporada al último Reglamento de Instalaciones Térmicas para Edificios (RITE). Dicho Reglamento, de obligado cumplimiento, establece en su epígrafe IT 1.1.4.1.2. correspondiente a la Exigencia de calidad térmica del ambiente los valores de Temperatura operativa y Humedad relativa según la siguiente cita:

IT 1.1.4.1.2.- Temperatura operativa y humedad relativa

  • Las condiciones interiores de diseño de la temperatura operativa y la humedad relativa se fijarán en base a la actividad metabólica de las personas, su grado de vestimenta y el porcentaje estimado de insatisfechos (PPD), según los siguientes casos:
    • Para personas actividad metabólica sedentaria de 1,2 met, con grado de vestimenta de 0,5 clo en verano y 1 clo en invierno y un PPD entre el 10 y el 15%, los valores de temperatura operativa y de la humedad relativa estarán comprendidos entre los límites indicados en la tabla 1.4.1.1.
Tabla 1.4.1.1 – Condiciones interiores de diseño
Estación Temperatura operativa (ºC) Humedad relativa (%)
Verano 23…25 45…60
Invierno 21…23 40…50
    • Para otros valores diferentes de la actividad metabólica, grado de vestimenta y PPD del apartado a) es válido el cálculo de la temperatura operativa y la humedad relativa realizado por el procedimiento indicado en la norma UNE-EN ISO 7730.

Aquí se habla de otra magnitud llamada "Temperatura Operativa", que más que una temperatura es un índice de confort, como es el caso del PPD y del PMV. Para no profundizar demasiado, diremos que su valor viene a ser la media aritmética de la temperatura del aire y la temperatura media de radiación.

Y hasta aquí el artículo. Espero que alguien haya sido capaz de llegar al final y le sea de utilidad.

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Sirvan también estas líneas como mi reconocimiento personal a la labor del buen profesor Povl Ole Fanger, recientemente fallecido, cuyas aportaciones a la ergonomía y a las pautas de partida de los sistemas de climatización han recorrido todo el mundo.

 

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Comentarios
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Adrián  - Muy bien   |25-10-2008 02:57:18
Magnífico artículo (y la calculadora)

Saludos
curioso   |01-07-2009 18:40:36
un articulo ameno y de facil comprensión
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