El confort térmico es el estado mental que expresa satisfacción subjetiva con el entorno térmico. [1] El cuerpo humano puede considerarse como un motor térmico en el que los alimentos son la energía de entrada. El cuerpo humano liberará el exceso de calor al medio ambiente, por lo que puede seguir funcionando. La transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura. En entornos fríos, el cuerpo pierde más calor al medio ambiente y en entornos cálidos, el cuerpo no libera suficiente calor. Tanto los escenarios cálidos como los fríos provocan malestar. [2] Mantener este estándar de confort térmico para los ocupantes de edificios u otros recintos es uno de los objetivos importantes de los ingenieros de diseño de HVAC ( calefacción , ventilación y aire acondicionado ).
La neutralidad térmica se mantiene cuando se permite que el calor generado por el metabolismo humano se disipe, manteniendo así el equilibrio térmico con el entorno. Los principales factores que influyen en la neutralidad térmica son los que determinan la ganancia y la pérdida de calor, a saber, la tasa metabólica , el aislamiento de la ropa , la temperatura del aire , la temperatura radiante media , la velocidad del aire y la humedad relativa . Los parámetros psicológicos, como las expectativas individuales, y los parámetros fisiológicos también afectan a la neutralidad térmica. [3] La temperatura neutra es la temperatura que puede conducir a la neutralidad térmica y puede variar mucho entre individuos y dependiendo de factores como el nivel de actividad, la ropa y la humedad. Las personas son muy sensibles incluso a pequeñas diferencias en la temperatura ambiental. A 24 °C, se puede detectar una diferencia de 0,38 °C entre la temperatura de dos habitaciones. [4]
El modelo de voto medio previsto (PMV) se encuentra entre los modelos de confort térmico más reconocidos. Se desarrolló utilizando principios de equilibrio térmico y datos experimentales recopilados en una cámara climática controlada en condiciones de estado estable . [5] El modelo adaptativo, por otro lado, se desarrolló con base en cientos de estudios de campo con la idea de que los ocupantes interactúan dinámicamente con su entorno. Los ocupantes controlan su entorno térmico por medio de ropa, ventanas operables, ventiladores, calentadores personales y parasoles. [3] [6] El modelo PMV se puede aplicar a edificios con aire acondicionado, mientras que el modelo adaptativo se puede aplicar solo a edificios donde no se han instalado sistemas mecánicos. [1] No hay consenso sobre qué modelo de confort se debe aplicar para edificios que están parcialmente acondicionados espacial o temporalmente.
Los cálculos de confort térmico de acuerdo con la norma ANSI/ASHRAE 55 , [1] la norma ISO 7730 [7] y la norma EN 16798-1 [8] se pueden realizar libremente con la herramienta de confort térmico CBE para ASHRAE 55, [9] con el paquete Python pythermalcomfort [10] o con el paquete R comf.
La satisfacción con el entorno térmico es importante porque las condiciones térmicas son potencialmente mortales para los humanos si la temperatura corporal central alcanza condiciones de hipertermia , por encima de 37,5–38,3 °C (99,5–100,9 °F), [11] [12] o hipotermia , por debajo de 35,0 °C (95,0 °F). [13] Los edificios modifican las condiciones del entorno externo y reducen el esfuerzo que el cuerpo humano necesita hacer para mantenerse estable a una temperatura corporal humana normal, importante para el correcto funcionamiento de los procesos fisiológicos humanos .
El escritor romano Vitruvio relacionó este propósito con el nacimiento de la arquitectura. [14] David Linden también sugiere que la razón por la que asociamos las playas tropicales con el paraíso es porque en esos entornos es donde los cuerpos humanos necesitan hacer menos esfuerzo metabólico para mantener su temperatura central. [15] La temperatura no sólo sustenta la vida humana; el frescor y el calor también se han convertido en diferentes culturas en un símbolo de protección, comunidad e incluso de lo sagrado. [16]
En los estudios sobre la ciencia de la construcción , el confort térmico se ha relacionado con la productividad y la salud. Los trabajadores de oficina que están satisfechos con su entorno térmico son más productivos. [17] [18] La combinación de altas temperaturas y alta humedad relativa reduce el confort térmico y la calidad del aire interior . [19]
Aunque una única temperatura estática puede ser confortable, las personas se sienten atraídas por los cambios térmicos, como las fogatas y las piscinas frescas. El placer térmico se produce al variar las sensaciones térmicas desde un estado desagradable a un estado agradable, y el término científico para ello es aliestesia térmica positiva . [20] Desde un estado de neutralidad térmica o confort, cualquier cambio será percibido como desagradable. [21] Esto pone en entredicho la suposición de que los edificios controlados mecánicamente deberían ofrecer temperaturas y confort uniformes, si es a costa de excluir el placer térmico. [22]
Dado que existen grandes variaciones de una persona a otra en términos de satisfacción fisiológica y psicológica , es difícil encontrar una temperatura óptima para todos en un espacio determinado. Se han recopilado datos de laboratorio y de campo para definir las condiciones que serán cómodas para un porcentaje específico de ocupantes. [1]
Existen numerosos factores que afectan directamente al confort térmico que pueden agruparse en dos categorías:
Aunque todos estos factores pueden variar con el tiempo, las normas suelen referirse a un estado estable para estudiar el confort térmico, permitiendo únicamente variaciones limitadas de temperatura.
Las personas tienen diferentes tasas metabólicas que pueden fluctuar debido al nivel de actividad y las condiciones ambientales. [23] [24] [25] ASHRAE 55-2017 define la tasa metabólica como la tasa de transformación de energía química en calor y trabajo mecánico por actividades metabólicas de un individuo, por unidad de superficie de la piel. [1] : 3
La tasa metabólica se expresa en unidades de met, equivalentes a 58,2 W/m² (18,4 Btu/h·ft²). Un met equivale a la energía producida por unidad de superficie de una persona promedio sentada en reposo.
La norma ASHRAE 55 proporciona una tabla de tasas metabólicas para una variedad de actividades. Algunos valores comunes son 0,7 met para dormir, 1,0 met para una posición sentada y tranquila, 1,2–1,4 met para actividades ligeras de pie, 2,0 met o más para actividades que implican movimiento, caminar, levantar cargas pesadas u operar maquinaria. Para la actividad intermitente, la norma establece que es permisible utilizar una tasa metabólica promedio ponderada en el tiempo si las personas realizan actividades que varían durante un período de una hora o menos. Para períodos más largos, se deben considerar diferentes tasas metabólicas. [1]
Según el Manual de Fundamentos de ASHRAE, la estimación de las tasas metabólicas es compleja y para niveles superiores a 2 o 3 met –especialmente si existen varias formas de realizar dichas actividades– la precisión es baja. Por lo tanto, el estándar no es aplicable para actividades con un nivel promedio superior a 2 met. Los valores de Met también se pueden determinar con mayor precisión que los tabulados, utilizando una ecuación empírica que tiene en cuenta la tasa de consumo de oxígeno respiratorio y la producción de dióxido de carbono. Otro método fisiológico, pero menos preciso, está relacionado con la frecuencia cardíaca, ya que existe una relación entre esta última y el consumo de oxígeno. [26]
Los médicos utilizan el Compendio de actividades físicas para registrar las actividades físicas. Tiene una definición diferente de met, que es la relación entre la tasa metabólica de la actividad en cuestión y la tasa metabólica en reposo. [27] Como la formulación del concepto es diferente de la que utiliza ASHRAE, estos valores de met no se pueden utilizar directamente en los cálculos de PMV, pero abren una nueva forma de cuantificar las actividades físicas.
Los hábitos alimentarios y de bebida pueden influir en las tasas metabólicas, lo que indirectamente influye en las preferencias térmicas. Estos efectos pueden cambiar según la ingesta de alimentos y bebidas. [28]
La forma del cuerpo es otro factor que afecta la tasa metabólica y, por lo tanto, el confort térmico. La disipación del calor depende de la superficie corporal. La superficie corporal promedio es de 1,8 m2 ( 19 pies2 ) . [1] Una persona alta y delgada tiene una mayor relación superficie-volumen, puede disipar el calor con mayor facilidad y puede tolerar temperaturas más altas que una persona con una forma corporal redondeada. [28]
La cantidad de aislamiento térmico que lleva una persona tiene un impacto sustancial en el confort térmico, ya que influye en la pérdida de calor y, en consecuencia, en el equilibrio térmico. Las capas de ropa aislante evitan la pérdida de calor y pueden ayudar a mantener a una persona abrigada o provocar un sobrecalentamiento. En general, cuanto más gruesa es la prenda, mayor capacidad aislante tiene. Dependiendo del tipo de material del que esté hecha la prenda, el movimiento del aire y la humedad relativa pueden disminuir la capacidad aislante del material. [29] [30]
1 clo equivale a 0,155 m2 · K/W (0,88 °F·ft2 · h/Btu). Esto corresponde a pantalones, una camisa de manga larga y una chaqueta. Los valores de aislamiento de la ropa para otros conjuntos comunes o prendas individuales se pueden encontrar en ASHRAE 55. [1]
La humedad de la piel se define como "la proporción de la superficie total de la piel del cuerpo cubierta de sudor". [31] La humedad de la piel en diferentes áreas también afecta el confort térmico percibido. La humedad puede aumentar la humedad en diferentes áreas del cuerpo, lo que lleva a una percepción de incomodidad. Esto suele estar localizado en diferentes partes del cuerpo, y los límites de confort térmico local para la humedad de la piel difieren según la ubicación del cuerpo. [32] Las extremidades son mucho más sensibles al malestar térmico causado por la humedad que el tronco del cuerpo. Aunque el malestar térmico local puede ser causado por la humedad, el confort térmico de todo el cuerpo no se verá afectado por la humedad de ciertas partes.
La temperatura del aire es la temperatura media del aire que rodea al ocupante, con respecto a la ubicación y el tiempo. Según la norma ASHRAE 55, la media espacial tiene en cuenta los niveles de los tobillos, la cintura y la cabeza, que varían para ocupantes sentados o de pie. La media temporal se basa en intervalos de tres minutos con al menos 18 puntos igualmente espaciados en el tiempo. La temperatura del aire se mide con un termómetro de bulbo seco y por este motivo también se la conoce como temperatura de bulbo seco .
La temperatura radiante está relacionada con la cantidad de calor radiante transferido desde una superficie y depende de la capacidad del material para absorber o emitir calor, o su emisividad . La temperatura radiante media depende de las temperaturas y emisividades de las superficies circundantes, así como del factor de visibilidad , o la cantidad de superficie que es "vista" por el objeto. Por lo tanto, la temperatura radiante media que experimenta una persona en una habitación con la luz del sol varía según la cantidad de su cuerpo que esté expuesta al sol.
La velocidad del aire se define como la tasa de movimiento del aire en un punto, sin tener en cuenta la dirección. Según la norma ANSI/ASHRAE 55 , es la velocidad media del aire que rodea a un ocupante representativo, con respecto a la ubicación y el tiempo. El promedio espacial es para tres alturas, tal como se define para la temperatura media del aire. Para un ocupante que se mueve en un espacio, los sensores deben seguir los movimientos del ocupante. La velocidad del aire se promedia en un intervalo no inferior a uno ni superior a tres minutos. Las variaciones que se produzcan en un período superior a tres minutos se tratarán como múltiples velocidades del aire diferentes. [33]
La humedad relativa (HR) es la relación entre la cantidad de vapor de agua en el aire y la cantidad de vapor de agua que el aire podría contener a una temperatura y presión específicas. Si bien el cuerpo humano tiene termorreceptores en la piel que permiten la percepción de la temperatura, la humedad relativa se detecta indirectamente. La sudoración es un mecanismo eficaz de pérdida de calor que se basa en la evaporación de la piel. Sin embargo, a una HR alta, el aire tiene cerca del máximo de vapor de agua que puede contener, por lo que la evaporación y, por lo tanto, la pérdida de calor, disminuyen. Por otro lado, los entornos muy secos (HR < 20-30%) también son incómodos debido a su efecto sobre las membranas mucosas. El nivel recomendado de humedad interior está en el rango del 30-60% en edificios con aire acondicionado, [34] [35] pero las nuevas normas como el modelo adaptativo permiten una humedad menor y mayor, dependiendo de los otros factores involucrados en el confort térmico.
Recientemente, se han probado los efectos de la baja humedad relativa y la alta velocidad del aire en seres humanos después del baño. Los investigadores descubrieron que la baja humedad relativa generaba malestar térmico, así como sensación de sequedad y picazón. Se recomienda mantener niveles de humedad relativa más altos en el baño que en otras habitaciones de la casa para lograr condiciones óptimas. [36]
Se han desarrollado varios tipos de temperatura aparente para combinar la temperatura del aire y la humedad del aire. Para temperaturas más altas, existen escalas cuantitativas, como el índice de calor . Para temperaturas más bajas, se identificó una interacción relacionada solo de manera cualitativa:
Ha habido controversia sobre por qué el aire frío húmedo se siente más frío que el aire frío seco. Algunos creen que se debe a que cuando la humedad es alta, nuestra piel y ropa se humedecen y son mejores conductores del calor, por lo que hay más enfriamiento por conducción. [39]
La influencia de la humedad puede verse exacerbada con el uso combinado de ventiladores (refrigeración por convección forzada). [40]
Muchos edificios utilizan una unidad de HVAC para controlar su entorno térmico. Otros edificios están ventilados naturalmente (o tendrían ventilación cruzada ) y no dependen de sistemas mecánicos para proporcionar confort térmico. Dependiendo del clima, esto puede reducir drásticamente el consumo de energía. Sin embargo, a veces se considera un riesgo, ya que las temperaturas interiores pueden ser demasiado extremas si el edificio está mal diseñado. Los edificios con ventilación natural y bien diseñados mantienen las condiciones interiores dentro de un rango en el que abrir las ventanas y usar ventiladores en el verano, y usar ropa adicional en el invierno, pueden mantener a las personas térmicamente cómodas. [41]
Existen varios modelos o índices diferentes que pueden utilizarse para evaluar las condiciones de confort térmico en interiores como se describe a continuación.
El modelo PMV/PPD fue desarrollado por PO Fanger usando ecuaciones de balance térmico y estudios empíricos sobre la temperatura de la piel para definir el confort. Las encuestas estándar de confort térmico preguntan a los sujetos sobre su sensación térmica en una escala de siete puntos desde frío (−3) a calor (+3). Las ecuaciones de Fanger se utilizan para calcular el voto medio previsto (PMV) de un grupo de sujetos para una combinación particular de temperatura del aire , temperatura radiante media , humedad relativa , velocidad del aire, tasa metabólica y aislamiento de la ropa . [5] El PMV igual a cero representa la neutralidad térmica, y la zona de confort se define por las combinaciones de los seis parámetros para los que el PMV está dentro de los límites recomendados (−0,5 < PMV < +0,5) . [1] Aunque predecir la sensación térmica de una población es un paso importante para determinar qué condiciones son cómodas, es más útil considerar si las personas estarán satisfechas o no. Fanger desarrolló otra ecuación para relacionar el PMV con el porcentaje previsto de insatisfechos (PPD). Esta relación se basó en estudios en los que se examinó a sujetos en una cámara donde las condiciones interiores podían controlarse con precisión. [5]
El modelo PMV/PPD se aplica globalmente pero no tiene en cuenta directamente los mecanismos de adaptación ni las condiciones térmicas exteriores. [3] [42] [43]
La norma ASHRAE 55-2017 utiliza el modelo PMV para establecer los requisitos de las condiciones térmicas interiores. Exige que al menos el 80 % de los ocupantes estén satisfechos. [1]
La herramienta de confort térmico CBE para ASHRAE 55 [9] permite a los usuarios ingresar los seis parámetros de confort para determinar si una determinada combinación cumple con ASHRAE 55. Los resultados se muestran en un gráfico psicrométrico o de temperatura-humedad relativa e indican los rangos de temperatura y humedad relativa que serán confortables con los valores ingresados para los cuatro parámetros restantes. [44]
El modelo PMV/PPD tiene una baja precisión de predicción. [45] Utilizando la base de datos de encuestas de campo sobre confort térmico más grande del mundo, [46] la precisión del PMV para predecir la sensación térmica del ocupante fue solo del 34%, lo que significa que la sensación térmica se predice correctamente una de cada tres veces. El PPD sobreestimó la inaceptabilidad térmica del sujeto fuera de los rangos de neutralidad térmica (-1≤PMV≤1). La precisión del PMV/PPD varía considerablemente entre las estrategias de ventilación, los tipos de edificios y los climas. [45]
ASHRAE 55 2013 tiene en cuenta las velocidades del aire superiores a 0,2 metros por segundo (0,66 pies/s) por separado del modelo de referencia. Debido a que el movimiento del aire puede proporcionar enfriamiento directo a las personas, en particular si no llevan mucha ropa, las temperaturas más altas pueden ser más cómodas que las que predice el modelo PMV. Se permiten velocidades del aire de hasta 0,8 m/s (2,6 pies/s) sin control local, y 1,2 m/s son posibles con control local. Este movimiento de aire elevado aumenta la temperatura máxima de un espacio de oficina en el verano a 30 °C desde 27,5 °C (86,0–81,5 °F). [1]
"Energía virtual para el confort térmico" es la cantidad de energía que se requerirá para que un edificio sin aire acondicionado sea relativamente tan cómodo como uno con aire acondicionado . Esto se basa en el supuesto de que la casa eventualmente instalará aire acondicionado o calefacción. [47] El diseño pasivo mejora el confort térmico en un edificio, reduciendo así la demanda de calefacción o refrigeración. Sin embargo, en muchos países en desarrollo , la mayoría de los ocupantes actualmente no calientan ni enfrían, debido a restricciones económicas, así como a condiciones climáticas que bordean las condiciones de confort, como las noches frías de invierno en Johannesburgo (Sudáfrica) o los días cálidos de verano en San José, Costa Rica. Al mismo tiempo, a medida que aumentan los ingresos, existe una fuerte tendencia a introducir sistemas de refrigeración y calefacción. Si reconocemos y recompensamos las características de diseño pasivo que mejoran el confort térmico hoy, disminuimos el riesgo de tener que instalar sistemas HVAC en el futuro, o al menos aseguramos que dichos sistemas serán más pequeños y se usarán con menos frecuencia. O en caso de que el sistema de calefacción o refrigeración no se instale debido al alto costo, al menos las personas no deberían sufrir incomodidad en el interior. Por ejemplo, en San José, Costa Rica, si se diseñara una casa con un alto nivel de acristalamiento y aberturas de pequeño tamaño, la temperatura interna superaría fácilmente los 30 °C (86 °F) y la ventilación natural no sería suficiente para eliminar las ganancias de calor internas y solares. Por eso es importante la Energía Virtual para el Confort.
La herramienta de evaluación del Banco Mundial, el software EDGE ( Excelencia en el diseño para una mayor eficiencia ), ilustra los problemas potenciales relacionados con la incomodidad en los edificios y ha creado el concepto de Energía virtual para el confort, que ofrece una forma de presentar la incomodidad térmica potencial. Este enfoque se utiliza para premiar las soluciones de diseño que mejoran la comodidad térmica incluso en un edificio que funciona completamente sin restricciones. A pesar de la inclusión de requisitos para el sobrecalentamiento en CIBSE, no se ha evaluado el sobreenfriamiento. Sin embargo, el sobreenfriamiento puede ser un problema, principalmente en el mundo en desarrollo, por ejemplo en ciudades como Lima (Perú), Bogotá y Delhi, donde las temperaturas interiores pueden ser más frías con frecuencia. Esta puede ser una nueva área para la investigación y la orientación del diseño para la reducción de la incomodidad.
ASHRAE 55-2017 define el efecto de enfriamiento (CE) a una velocidad del aire elevada (por encima de 0,2 metros por segundo (0,66 pies/s)) como el valor que, cuando se resta tanto de la temperatura del aire como de la temperatura radiante media, produce el mismo valor SET con aire en calma (0,1 m/s) que en el primer cálculo SET a una velocidad del aire elevada. [1]
El CE se puede utilizar para determinar el PMV ajustado para un entorno con una velocidad del aire elevada utilizando la temperatura ajustada, la temperatura radiante ajustada y aire en calma (0,2 metros por segundo (0,66 pies/s)). Donde las temperaturas ajustadas son iguales al aire original y las temperaturas radiantes medias menos el CE.
Para lograr un confort térmico aceptable, es esencial evitar el malestar térmico local, ya sea causado por una diferencia de temperatura vertical entre los pies y la cabeza, por un campo radiante asimétrico, por enfriamiento convectivo local (corriente de aire) o por el contacto con un suelo caliente o frío. Las personas son generalmente más sensibles al malestar local cuando su sensación térmica es más fría que neutra, mientras que son menos sensibles a él cuando su cuerpo está más cálido que neutro. [33]
Las grandes diferencias en la radiación térmica de las superficies que rodean a una persona pueden causar malestar local o reducir la aceptación de las condiciones térmicas. La norma ASHRAE 55 establece límites a las diferencias de temperatura admisibles entre varias superficies. Debido a que las personas son más sensibles a algunas asimetrías que a otras, por ejemplo, la de un techo cálido en comparación con la de superficies verticales frías y calientes, los límites dependen de qué superficies estén involucradas. El techo no puede ser más de +5 °C (9,0 °F) más cálido, mientras que una pared puede ser hasta +23 °C (41 °F) más cálida que las otras superficies. [1]
Si bien el movimiento del aire puede ser agradable y brindar comodidad en algunas circunstancias, a veces es indeseado y causa incomodidad. Este movimiento de aire no deseado se denomina "corriente de aire" y es más frecuente cuando la sensación térmica de todo el cuerpo es fría. Es más probable que las personas sientan una corriente de aire en las partes del cuerpo descubiertas, como la cabeza, el cuello, los hombros, los tobillos, los pies y las piernas, pero la sensación también depende de la velocidad del aire, la temperatura del aire, la actividad y la ropa. [1]
Los pisos demasiado cálidos o demasiado fríos pueden causar incomodidad, según el calzado. La norma ASHRAE 55 recomienda que la temperatura del piso se mantenga en el rango de 19 a 29 °C (66 a 84 °F) en espacios donde los ocupantes usarán zapatos livianos. [1]
La temperatura efectiva estándar (SET) es un modelo de respuesta humana al entorno térmico. Desarrollado por AP Gagge y aceptado por ASHRAE en 1986, [48] también se lo conoce como el modelo de dos nodos de Pierce. [49] Su cálculo es similar al PMV porque es un índice de confort integral basado en ecuaciones de equilibrio térmico que incorpora los factores personales de la vestimenta y la tasa metabólica. Su diferencia fundamental es que se necesita un método de dos nodos para representar la fisiología humana al medir la temperatura y la humedad de la piel. [48]
El índice SET se define como la temperatura de bulbo seco equivalente de un ambiente isotérmico con una humedad relativa del 50% en el que un sujeto, mientras usa ropa estandarizada para la actividad en cuestión, tendría el mismo estrés térmico (temperatura de la piel) y tensión termorreguladora (humectación de la piel) que en el ambiente de prueba real. [48]
La investigación ha probado el modelo contra datos experimentales y ha descubierto que tiende a sobreestimar la temperatura de la piel y subestimar la humectación de la piel. [49] [50] Fountain y Huizenga (1997) desarrollaron una herramienta de predicción de sensación térmica que calcula SET. [51] El índice SET también se puede calcular utilizando la herramienta de confort térmico CBE para ASHRAE 55, [9] el paquete Python pythermalcomfort, [10] o el paquete R comf.
El modelo adaptativo se basa en la idea de que el clima exterior puede utilizarse como indicador del confort interior debido a una correlación estadísticamente significativa entre ambos. La hipótesis adaptativa predice que los factores contextuales, como el acceso a controles ambientales y el historial térmico pasado pueden influir en las expectativas y preferencias térmicas de los ocupantes de los edificios. [3] Numerosos investigadores han llevado a cabo estudios de campo en todo el mundo en los que encuestan a los ocupantes de los edificios sobre su confort térmico mientras toman mediciones ambientales simultáneas. El análisis de una base de datos de resultados de 160 de estos edificios reveló que los ocupantes de los edificios con ventilación natural aceptan e incluso prefieren un rango más amplio de temperaturas que sus contrapartes en edificios sellados y con aire acondicionado porque su temperatura preferida depende de las condiciones exteriores. [3] Estos resultados se incorporaron en la norma ASHRAE 55-2004 como el modelo de confort adaptativo. El gráfico adaptativo relaciona la temperatura de confort interior con la temperatura exterior predominante y define zonas de satisfacción del 80% y el 90%. [1]
La norma ASHRAE-55 2010 introdujo la temperatura media exterior predominante como variable de entrada para el modelo adaptativo. Se basa en el promedio aritmético de las temperaturas medias diarias exteriores durante no menos de 7 y no más de 30 días consecutivos anteriores al día en cuestión. [1] También se puede calcular ponderando las temperaturas con diferentes coeficientes, asignando importancia creciente a las temperaturas más recientes. En caso de que se utilice esta ponderación, no es necesario respetar el límite superior para los días posteriores. Para aplicar el modelo adaptativo, no debe haber un sistema de refrigeración mecánico para el espacio, los ocupantes deben realizar actividades sedentarias con tasas metabólicas de 1–1,3 met y una temperatura media predominante de 10–33,5 °C (50,0–92,3 °F). [1]
Este modelo se aplica especialmente a espacios controlados por los ocupantes y acondicionados de forma natural, donde el clima exterior puede afectar las condiciones interiores y, por lo tanto, la zona de confort. De hecho, los estudios de De Dear y Brager demostraron que los ocupantes de edificios con ventilación natural toleraban un rango más amplio de temperaturas. [3] Esto se debe tanto a ajustes conductuales como fisiológicos, ya que existen diferentes tipos de procesos adaptativos. [52] La norma ASHRAE 55-2010 establece que las diferencias en las experiencias térmicas recientes, los cambios en la vestimenta, la disponibilidad de opciones de control y los cambios en las expectativas de los ocupantes pueden cambiar las respuestas térmicas de las personas. [1]
Los modelos adaptativos de confort térmico se implementan en otras normas, como la norma europea EN 15251 y la norma ISO 7730. Si bien los métodos de derivación y los resultados exactos son ligeramente diferentes de los de la norma adaptativa ASHRAE 55, son sustancialmente iguales. Una diferencia mayor está en la aplicabilidad. La norma adaptativa ASHRAE solo se aplica a edificios sin refrigeración mecánica instalada, mientras que la EN15251 se puede aplicar a edificios de modo mixto , siempre que el sistema no esté en funcionamiento. [53]
Básicamente existen tres categorías de adaptación térmica: conductual, fisiológica y psicológica.
El nivel de confort de un individuo en un entorno determinado puede cambiar y adaptarse con el tiempo debido a factores psicológicos. La percepción subjetiva del confort térmico puede verse influida por el recuerdo de experiencias anteriores. La habituación se produce cuando la exposición repetida modera las expectativas futuras y las respuestas a la información sensorial. Este es un factor importante para explicar la diferencia entre las observaciones de campo y las predicciones de PMV (basadas en el modelo estático) en edificios con ventilación natural. En estos edificios, la relación con las temperaturas exteriores ha sido dos veces más fuerte de lo previsto. [3]
La adaptación psicológica es sutilmente diferente en los modelos estático y adaptativo. Las pruebas de laboratorio del modelo estático pueden identificar y cuantificar factores no relacionados con la transferencia de calor (psicológicos) que afectan el confort informado. El modelo adaptativo se limita a informar las diferencias (denominadas psicológicas) entre el confort modelado y el informado. [ cita requerida ]
El confort térmico como "estado mental" se define en términos psicológicos. Entre los factores que afectan al estado mental (en el laboratorio) se encuentran la sensación de control sobre la temperatura, el conocimiento de la temperatura y la apariencia del entorno (de prueba). Una cámara de prueba térmica que parecía residencial "se sentía" más cálida que una que parecía el interior de un refrigerador. [54]
El cuerpo tiene varios mecanismos de ajuste térmico para sobrevivir en entornos de temperatura drástica. En un ambiente frío, el cuerpo utiliza vasoconstricción ; que reduce el flujo sanguíneo a la piel, la temperatura de la piel y la disipación de calor. En un ambiente cálido, la vasodilatación aumentará el flujo sanguíneo a la piel, el transporte de calor y la temperatura de la piel y la disipación de calor. [55] Si hay un desequilibrio a pesar de los ajustes vasomotores enumerados anteriormente, en un ambiente cálido se iniciará la producción de sudor y proporcionará enfriamiento por evaporación. Si esto es insuficiente, se instalará hipertermia , la temperatura corporal puede alcanzar los 40 °C (104 °F) y puede ocurrir un golpe de calor . En un ambiente frío, comenzarán los escalofríos, obligando involuntariamente a los músculos a trabajar y aumentando la producción de calor hasta en un factor de 10. Si no se restablece el equilibrio, puede instalarse hipotermia , que puede ser fatal. [55] Los ajustes a largo plazo a temperaturas extremas, de unos pocos días a seis meses, pueden resultar en ajustes cardiovasculares y endocrinos. Un clima cálido puede generar un mayor volumen sanguíneo, lo que mejora la eficacia de la vasodilatación, mejora el rendimiento del mecanismo de sudoración y reajuste las preferencias térmicas. En condiciones de frío o calor insuficiente, la vasoconstricción puede volverse permanente, lo que resulta en una disminución del volumen sanguíneo y un aumento de la tasa metabólica corporal. [55]
En los edificios con ventilación natural, los ocupantes adoptan numerosas medidas para mantenerse cómodos cuando las condiciones interiores se tornan incómodas. Abrir ventanas y ventiladores, ajustar persianas, cambiarse de ropa y consumir alimentos y bebidas son algunas de las estrategias de adaptación más comunes. Entre ellas, ajustar las ventanas es la más común. [56] Los ocupantes que adoptan este tipo de medidas tienden a sentirse más frescos a temperaturas más cálidas que los que no lo hacen. [57]
Las acciones conductuales influyen significativamente en las entradas de simulación energética, y los investigadores están desarrollando modelos de comportamiento para mejorar la precisión de los resultados de la simulación. Por ejemplo, existen muchos modelos de apertura de ventanas que se han desarrollado hasta la fecha, pero no hay consenso sobre los factores que desencadenan la apertura de ventanas. [56]
Las personas podrían adaptarse al calor estacional volviéndose más nocturnas, realizando actividad física e incluso realizando negocios durante la noche.
La sensibilidad térmica de un individuo se cuantifica mediante el descriptor F S , que adquiere valores más altos para individuos con menor tolerancia a condiciones térmicas no ideales. [58] Este grupo incluye mujeres embarazadas, discapacitados, así como individuos cuya edad es menor de catorce años o mayor de sesenta, que se considera el rango adulto. La literatura existente proporciona evidencia consistente de que la sensibilidad a las superficies calientes y frías generalmente disminuye con la edad. También hay alguna evidencia de una reducción gradual en la efectividad del cuerpo en la termorregulación después de los sesenta años. [58] Esto se debe principalmente a una respuesta más lenta de los mecanismos de contrarrestación en las partes inferiores del cuerpo que se utilizan para mantener la temperatura central del cuerpo en valores ideales. [58] Las personas mayores prefieren temperaturas más cálidas que los adultos jóvenes (76 frente a 72 grados F o 24,4 frente a 22,2 Celsius). [54 ]
Los factores situacionales incluyen las actividades sanitarias, psicológicas, sociológicas y vocacionales de las personas.
Aunque las preferencias de confort térmico entre los sexos parecen ser pequeñas, existen algunas diferencias promedio. Los estudios han descubierto que los hombres, en promedio, manifiestan malestar debido a los aumentos de temperatura mucho antes que las mujeres. Los hombres, en promedio, también estiman niveles más altos de su sensación de malestar que las mujeres. Un estudio reciente probó a hombres y mujeres con la misma ropa de algodón, realizando tareas mentales mientras usaban un dial para informar su confort térmico ante el cambio de temperatura. [59] Muchas veces, las mujeres prefirieron temperaturas más altas que los hombres. Pero mientras que las mujeres tienden a ser más sensibles a las temperaturas, los hombres tienden a ser más sensibles a los niveles de humedad relativa. [60] [61]
Se llevó a cabo un extenso estudio de campo en edificios residenciales con ventilación natural en Kota Kinabalu, Sabah, Malasia. Esta investigación exploró la sensibilidad térmica de los sexos al ambiente interior en edificios residenciales sin aire acondicionado. Se seleccionó la regresión jerárquica múltiple para el moderador categórico para el análisis de datos; el resultado mostró que, como grupo, las mujeres eran ligeramente más sensibles que los hombres a las temperaturas del aire interior, mientras que, en condiciones de neutralidad térmica, se encontró que los hombres y las mujeres tienen una sensación térmica similar. [62]
En diferentes áreas del mundo, las necesidades de confort térmico pueden variar según el clima. En China [ ¿dónde? ] el clima tiene veranos cálidos y húmedos e inviernos fríos, lo que genera la necesidad de un confort térmico eficiente. La conservación de energía en relación con el confort térmico se ha convertido en un gran problema en China en las últimas décadas debido al rápido crecimiento económico y demográfico. [63] Los investigadores están buscando formas de calentar y enfriar los edificios en China a un menor costo y también con menos daño al medio ambiente.
En las zonas tropicales de Brasil , la urbanización está creando islas de calor urbanas (ICU). Se trata de áreas urbanas que han superado los límites de confort térmico debido a una gran afluencia de personas y solo caen dentro del rango confortable durante la temporada de lluvias. [64] Las islas de calor urbanas pueden ocurrir sobre cualquier ciudad urbana o área edificada con las condiciones adecuadas. [65] [66]
En la región cálida y húmeda de Arabia Saudita , la cuestión del confort térmico ha sido importante en las mezquitas , ya que son edificios abiertos muy grandes que se utilizan solo de forma intermitente (muy concurridos por la oración del mediodía los viernes) y es difícil ventilarlos adecuadamente. El gran tamaño requiere una gran cantidad de ventilación, lo que requiere mucha energía ya que los edificios se utilizan solo por períodos cortos de tiempo. La regulación de la temperatura en las mezquitas es un desafío debido a la demanda intermitente, lo que lleva a que muchas mezquitas sean demasiado calientes o demasiado frías. El efecto chimenea también entra en juego debido a su gran tamaño y crea una gran capa de aire caliente sobre las personas en la mezquita. Los nuevos diseños han colocado los sistemas de ventilación más abajo en los edificios para proporcionar un mayor control de la temperatura a nivel del suelo. [67] También se están tomando nuevas medidas de monitoreo para mejorar la eficiencia. [68]
El concepto de confort térmico está estrechamente relacionado con el estrés térmico. Este intenta predecir el impacto de la radiación solar , el movimiento del aire y la humedad para el personal militar que realiza ejercicios de entrenamiento o los atletas durante eventos competitivos. Se han propuesto varios índices de estrés térmico, como el Predicted Heat Strain (PHS) o el humidex . [69] En general, los humanos no se desempeñan bien bajo estrés térmico. El rendimiento de las personas bajo estrés térmico es aproximadamente un 11% menor que su rendimiento en condiciones térmicas húmedas normales. Además, el rendimiento humano en relación con el estrés térmico varía mucho según el tipo de tarea que esté completando el individuo. Algunos de los efectos fisiológicos del estrés térmico incluyen un aumento del flujo sanguíneo a la piel, sudoración y aumento de la ventilación. [70] [71]
El modelo PHS, desarrollado por el comité de la Organización Internacional de Normalización (ISO), permite la evaluación analítica del estrés térmico experimentado por un sujeto de trabajo en un ambiente caluroso. [72] Describe un método para predecir la tasa de sudoración y la temperatura central interna que desarrollará el cuerpo humano en respuesta a las condiciones de trabajo. El PHS se calcula en función de varios parámetros físicos, por lo que permite determinar qué parámetro o grupo de parámetros debe modificarse, y en qué medida, para reducir el riesgo de tensiones fisiológicas. El modelo PHS no predice la respuesta fisiológica de un sujeto individual, sino que solo considera sujetos estándar con buena salud y aptos para el trabajo que realizan. El PHS se puede determinar utilizando el paquete Python pythermalcomfort [10] o el paquete R comf.
La ACGIH ha establecido límites de acción y valores límite umbral para el estrés por calor basados en la tasa metabólica estimada de un trabajador y las condiciones ambientales a las que está expuesto el trabajador.
La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) ha adoptado esta metodología como un método eficaz para evaluar el estrés térmico en los lugares de trabajo. [73]
Los factores que afectan el confort térmico se exploraron experimentalmente en la década de 1970. Muchos de estos estudios condujeron al desarrollo y perfeccionamiento de la Norma ASHRAE 55 y fueron realizados en la Universidad Estatal de Kansas por Ole Fanger y otros. Se descubrió que el confort percibido era una interacción compleja de estas variables. Se descubrió que la mayoría de las personas estarían satisfechas con un conjunto ideal de valores. A medida que el rango de valores se desviaba progresivamente del ideal, cada vez menos personas estaban satisfechas. Esta observación podría expresarse estadísticamente como el porcentaje de personas que expresaron satisfacción con las condiciones de confort y el voto medio previsto (PMV). Este enfoque fue desafiado por el modelo de confort adaptativo, desarrollado a partir del proyecto ASHRAE 884, que reveló que los ocupantes estaban cómodos en un rango más amplio de temperaturas. [3]
Esta investigación se aplica para crear programas de simulación energética de edificios (BES) para edificios residenciales. Los edificios residenciales en particular pueden variar mucho más en confort térmico que los edificios públicos y comerciales. Esto se debe a su menor tamaño, las variaciones en la ropa que se usa y los diferentes usos de cada habitación. Las principales habitaciones de interés son los baños y los dormitorios. Los baños deben estar a una temperatura cómoda para un humano con o sin ropa. Los dormitorios son importantes porque deben acomodar diferentes niveles de ropa y también diferentes tasas metabólicas de personas dormidas o despiertas. [74] Las horas de incomodidad son una métrica común utilizada para evaluar el rendimiento térmico de un espacio.
En la actualidad, los militares están realizando investigaciones sobre el confort térmico en las prendas de vestir. Se están investigando nuevas prendas con ventilación para mejorar la refrigeración por evaporación en entornos militares. Se están creando y probando algunos modelos en función de la cantidad de refrigeración que proporcionan. [75]
En los últimos veinte años, los investigadores también han desarrollado modelos avanzados de confort térmico que dividen el cuerpo humano en muchos segmentos y predicen el malestar térmico local considerando el equilibrio térmico. [76] [77] [78] Esto ha abierto un nuevo campo de modelado de confort térmico que apunta a calentar/enfriar partes seleccionadas del cuerpo.
Otra área de estudio es la hipótesis de tono-calor que establece que un ambiente con colores cálidos (rojo, naranja, amarillo) se sentirá más cálido en términos de temperatura y confort, mientras que un ambiente con colores fríos (azul, verde) se sentirá más fresco. [79] [80] [81] La hipótesis de tono-calor ha sido investigada científicamente [82] y arraigada en la cultura popular en los términos colores cálidos y fríos [83].
Siempre que los estudios a los que se hace referencia intentaron analizar las condiciones térmicas de diferentes grupos de ocupantes en una habitación, acabaron presentando simplemente comparaciones de satisfacción en cuanto al confort térmico basadas en estudios subjetivos. Ningún estudio intentó conciliar los diferentes requisitos de confort térmico de los diferentes tipos de ocupantes que deben permanecer obligatoriamente en una habitación. Por lo tanto, parece necesario investigar las diferentes condiciones térmicas requeridas por los diferentes grupos de ocupantes en los hospitales para conciliar sus diferentes requisitos en este concepto. Para conciliar las diferencias en las condiciones de confort térmico requeridas, se recomienda probar la posibilidad de utilizar diferentes rangos de temperatura radiante local en una habitación mediante un sistema mecánico adecuado.
Aunque se están realizando diferentes investigaciones sobre el confort térmico de los pacientes en los hospitales, también es necesario estudiar los efectos de las condiciones de confort térmico en la calidad y la cantidad de curación de los pacientes en los hospitales. También hay investigaciones originales que muestran la relación entre el confort térmico del personal y sus niveles de productividad, pero no se han realizado estudios individuales en hospitales en este campo. Por lo tanto, se recomienda la investigación sobre la cobertura y los métodos individuales para este tema. También se recomienda la investigación en términos de sistemas de suministro de refrigeración y calefacción para pacientes con bajos niveles de protección del sistema inmunológico (como pacientes con VIH, pacientes con quemaduras, etc.). Hay áreas importantes en las que aún es necesario centrarse en la inclusión del confort térmico para el personal y su relación con su productividad, utilizando diferentes sistemas de calefacción para prevenir la hipotermia en el paciente y mejorar el confort térmico del personal del hospital simultáneamente.
Por último, la interacción entre personas, sistemas y diseño arquitectónico en los hospitales es un campo en el que se requiere más trabajo para mejorar el conocimiento sobre cómo diseñar edificios y sistemas para conciliar muchos factores conflictivos para las personas que ocupan estos edificios. [84]
Los sistemas de confort personal (PCS) se refieren a dispositivos o sistemas que calientan o enfrían personalmente a un ocupante del edificio. [85] Este concepto se aprecia mejor en contraste con los sistemas centrales de HVAC que tienen configuraciones de temperatura uniformes para áreas extensas. Los sistemas de confort personal incluyen ventiladores y difusores de aire de varios tipos (por ejemplo, ventiladores de escritorio, boquillas y difusores de ranura, ventiladores de techo, ventiladores de bajo volumen y baja velocidad , etc.) y fuentes personalizadas de calor radiante o conductivo (calentadores de pies, calentadores de piernas, bolsas de agua caliente, etc.). Los PCS tienen el potencial de satisfacer los requisitos de confort individual mucho mejor que los sistemas HVAC actuales, ya que las diferencias interpersonales en la sensación térmica debido a la edad, el sexo, la masa corporal, la tasa metabólica, la ropa y la adaptación térmica pueden ascender a una variación de temperatura equivalente de 2 a 5 K, que es imposible de satisfacer para un sistema HVAC central y uniforme. [85] Además, la investigación ha demostrado que la capacidad percibida para controlar el entorno térmico de uno tiende a ampliar el rango de temperaturas tolerables. [3] Tradicionalmente, los dispositivos PCS se han utilizado de forma aislada unos de otros. Sin embargo, Andersen et al. (2016) propusieron que una red de dispositivos PCS que generan microzonas bien conectadas de confort térmico, informan sobre los ocupantes en tiempo real y responden a solicitudes de actuación programática (por ejemplo, una fiesta, una conferencia, un concierto, etc.) pueden combinarse con aplicaciones de edificios que tengan en cuenta a los ocupantes para permitir nuevos métodos de maximización del confort. [86]
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