El confort térmico es la condición mental que expresa satisfacción con el ambiente térmico y se evalúa mediante evaluación subjetiva ( Norma ANSI/ASHRAE 55 ). [1] El cuerpo humano puede verse como un motor térmico donde los alimentos son la energía de entrada. El cuerpo humano liberará el exceso de calor al medio ambiente, para que el cuerpo pueda seguir funcionando. La transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura. En ambientes fríos, el cuerpo pierde más calor al ambiente y en ambientes cálidos el cuerpo no libera suficiente calor. Tanto el escenario cálido como el frío 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 el confort térmico son los que determinan la ganancia y 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, también afectan al confort térmico. [3] La temperatura de confort térmico puede variar mucho entre personas y dependiendo de factores como el nivel de actividad, la ropa y la humedad.
El modelo de voto medio previsto (PMV) se encuentra entre los modelos de confort térmico más reconocidos. Fue desarrollado utilizando principios de equilibrio térmico y datos experimentales recopilados en una cámara climática controlada en condiciones de estado estacionario . [4] El modelo adaptativo, por otro lado, se desarrolló basándose en cientos de estudios de campo con la idea de que los ocupantes interactúan dinámicamente con su entorno. Los ocupantes controlan su ambiente térmico mediante ropa, ventanas operables, ventiladores, calentadores personales y sombrillas. [3] [5] 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 existe consenso sobre qué modelo de confort se debe aplicar a los edificios parcialmente climatizados espacial o temporalmente.
Los cálculos de confort térmico de acuerdo con la norma ANSI/ASHRAE 55 , [1] la norma ISO 7730 [6] y la norma EN 16798-1 [7] se pueden realizar libremente con la herramienta CBE Thermal Comfort Tool para ASHRAE 55, [8 ] con el paquete Python pythermalcomfort [9] y con el paquete R comf.
La satisfacción con el entorno térmico es importante porque las condiciones térmicas son potencialmente mortales para los seres humanos si la temperatura corporal central alcanza condiciones de hipertermia , por encima de 37,5 a 38,3 °C (99,5 a 100,9 °F), [10] [11] o hipotermia . por debajo de 35,0 °C (95,0 °F). [12] Los edificios modifican las condiciones del entorno externo y reducen el esfuerzo que el cuerpo humano necesita hacer para mantenerse estable a una temperatura normal del cuerpo humano , importante para el correcto funcionamiento de los procesos fisiológicos humanos .
De hecho, el escritor romano Vitruvio vinculó este propósito con el nacimiento de la arquitectura. [13] David Linden también sugiere que la razón por la que asociamos las playas tropicales con el paraíso es porque en esos ambientes es donde los cuerpos humanos necesitan hacer menos esfuerzo metabólico para mantener su temperatura central. [14] La temperatura no sólo sustenta la vida humana; El frescor y la calidez también se han convertido en diferentes culturas en un símbolo de protección, comunidad e incluso sagrado. [15]
En los estudios de ciencias 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. [16] [17] La combinación de alta temperatura y alta humedad relativa reduce el confort térmico y la calidad del aire interior . [18]
Aunque una sola temperatura estática puede resultar cómoda, las personas se sienten atraídas por los cambios térmicos, como las fogatas y las piscinas frescas. El placer térmico es causado por la variación de las sensaciones térmicas desde un estado desagradable hasta un estado placentero, y el término científico para describirlo es aliestesia térmica positiva . [19] Desde un estado de neutralidad térmica o de confort cualquier cambio será percibido como desagradable. [20] Esto cuestiona la suposición de que los edificios controlados mecánicamente deberían ofrecer temperaturas y confort uniformes, si es a costa de excluir el placer térmico. [21]
Dado que existen grandes variaciones de persona a persona 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]
Hay seis factores principales que afectan directamente al confort térmico que se pueden agrupar en dos categorías: factores personales –porque son características de los ocupantes– y factores ambientales –que son condiciones del ambiente térmico–. Los primeros son la tasa metabólica y el nivel de ropa, los segundos son la temperatura del aire, la temperatura radiante media, la velocidad del aire y la humedad. Aunque todos estos factores pueden variar con el tiempo, los estándares suelen referirse a un estado estacionario para estudiar el confort térmico, permitiendo únicamente variaciones de temperatura limitadas.
Las personas tienen diferentes tasas metabólicas que pueden fluctuar según el nivel de actividad y las condiciones ambientales. [22] [23] [24] La norma ASHRAE 55-2010 define la tasa metabólica como el nivel de transformación de energía química en calor y trabajo mecánico mediante actividades metabólicas dentro de un organismo, generalmente expresada en términos de unidad de área de la superficie corporal total. . La tasa metabólica se expresa en unidades met, que se definen de la siguiente manera:
1 met = 58,2 W/m² (18,4 Btu/h·ft²), que es igual a la energía producida por unidad de superficie de una persona promedio sentada en reposo. La superficie de una persona promedio es de 1,8 m 2 (19 pies 2 ). [1]
El Estándar 55 de ASHRAE proporciona una tabla de tasas cumplidas 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 a 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 está permitido utilizar una tasa metabólica promedio ponderada en el tiempo si los individuos 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, estimar las tasas metabólicas es complejo y, para niveles superiores a 2 o 3, especialmente si hay varias formas de realizar dichas actividades, la precisión es baja. Por lo tanto, la Norma no es aplicable para actividades con un nivel promedio superior a 2 cumplido. Los valores 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. [25]
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. [26] Como la formulación del concepto es diferente de la que utiliza ASHRAE, estos valores cumplidos no se pueden utilizar directamente en los cálculos de PMV, pero abre una nueva forma de cuantificar las actividades físicas.
Los hábitos alimentarios y de bebida pueden influir en las tasas metabólicas, lo que influye indirectamente en las preferencias térmicas. Estos efectos pueden cambiar según la ingesta de alimentos y bebidas. [27] La forma del cuerpo es otro factor que afecta el confort térmico. La disipación de calor depende de la superficie corporal. Una persona alta y delgada tiene una mayor relación superficie-volumen, puede disipar el calor más fácilmente y puede tolerar temperaturas más altas más que una persona con una forma corporal redondeada. [27]
La cantidad de aislamiento térmico que lleva una persona tiene un impacto sustancial en el confort térmico, porque influye en la pérdida de calor y, en consecuencia, en el equilibrio térmico. Las capas de ropa aislante previenen la pérdida de calor y pueden ayudar a mantener a una persona abrigada o provocar un sobrecalentamiento. Generalmente cuanto más gruesa es la prenda mayor capacidad aislante tiene. Dependiendo del tipo de material del que esté hecha la ropa, el movimiento del aire y la humedad relativa pueden disminuir la capacidad aislante del material. [28] [29]
1 clo es igual a 0,155 m 2 ·K/W (0,88 °F·ft 2 ·h/Btu). Esto corresponde a pantalones, camisa de manga larga y chaqueta. Los valores de aislamiento de la ropa para otros conjuntos comunes o prendas individuales se pueden encontrar en ASHRAE 55. [1]
La temperatura del aire es la temperatura promedio del aire que rodea al ocupante, con respecto a la ubicación y el tiempo. Según la norma ASHRAE 55, el promedio espacial tiene en cuenta los niveles de tobillo, cintura y cabeza, que varían para ocupantes sentados o de pie. El promedio temporal se basa en intervalos de tres minutos con al menos 18 puntos equiespaciados 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 visión , o la cantidad de superficie que "ve" el objeto. Entonces, la temperatura radiante media que experimenta una persona en una habitación donde entra la luz del sol varía según la cantidad de parte de su cuerpo que está expuesta al sol.
La velocidad del aire se define como la velocidad del movimiento del aire en un punto, independientemente de la dirección. Según la norma ANSI/ASHRAE 55 , es la velocidad promedio del aire que rodea a un ocupante representativo, con respecto a la ubicación y el tiempo. El promedio espacial es para tres alturas según lo definido para la temperatura promedio del aire. Para un ocupante que se mueve en un espacio, los sensores seguirán 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 durante un período superior a tres minutos se tratarán como múltiples velocidades del aire diferentes. [30]
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. Mientras que el cuerpo humano dispone de termorreceptores en la piel que permiten percibir la temperatura, la humedad relativa se detecta de forma indirecta. La sudoración es un mecanismo eficaz de pérdida de calor que depende de la evaporación de la piel. Sin embargo, a una HR alta, el aire tiene cerca del máximo vapor de agua que puede contener, por lo que disminuye la evaporación y, por lo tanto, la pérdida de calor. Por otro lado, los ambientes muy secos (HR < 20-30%) también resultan incómodos por su efecto sobre las mucosas. El nivel recomendado de humedad interior está en el rango del 30 al 60% en edificios con aire acondicionado, [31] [32] pero nuevos estándares, como el modelo adaptativo, permiten humedades más bajas y más altas, dependiendo de los otros factores involucrados en el confort térmico.
Recientemente, se probaron en humanos los efectos de la baja humedad relativa y la alta velocidad del aire 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 un baño que en otras habitaciones de la casa para obtener condiciones óptimas. [33]
La humedad de la piel se define como "la proporción de la superficie total de la piel del cuerpo cubierta de sudor". [34] La humedad de la piel en diferentes áreas también afecta el confort térmico percibido. La humedad puede aumentar la humedad en diferentes zonas del cuerpo, provocando una percepción de malestar. Esto suele localizarse en diferentes partes del cuerpo y los límites locales de confort térmico para la humedad de la piel difieren según la zona del cuerpo. [35] 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 determinadas partes.
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 sólo cualitativamente:
La alta humedad y las bajas temperaturas hacen que el aire se sienta frío. [36]
El aire frío con alta humedad relativa "se siente" más frío que el aire seco de la misma temperatura porque la alta humedad en climas fríos aumenta la conducción del calor del cuerpo. [37]
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. [38]
La influencia de la humedad puede verse agravada con el uso combinado de ventiladores (enfriamiento por convección forzada). [39]
Muchos edificios utilizan una unidad HVAC para controlar su ambiente térmico. Otros edificios tienen ventilación natural (o tendrían ventilación cruzada ) y no dependen de sistemas mecánicos para brindar 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 adecuadamente diseñados y con ventilación natural mantienen las condiciones interiores dentro del rango en el que abrir ventanas y usar ventiladores en verano, y usar ropa adicional en invierno, puede mantener a las personas térmicamente cómodas. [40]
Existen varios modelos o índices diferentes que se pueden utilizar para evaluar las condiciones de confort térmico en interiores, como se describe a continuación.
El modelo PMV/PPD fue desarrollado por PO Fanger utilizando ecuaciones de equilibrio 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) hasta 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 . [4] PMV igual a cero representa neutralidad térmica, y la zona de confort está definida por las combinaciones de los seis parámetros para los cuales 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 que encuestaron a sujetos en una cámara donde las condiciones interiores podían controlarse con precisión. [4]
El modelo PMV/PPD se aplica globalmente pero no tiene en cuenta directamente los mecanismos de adaptación y las condiciones térmicas exteriores. [3] [41] [42]
La norma ASHRAE 55-2017 utiliza el modelo PMV para establecer los requisitos para las condiciones térmicas interiores. Requiere que al menos el 80% de los ocupantes estén satisfechos. [1]
La herramienta de confort térmico CBE para ASHRAE 55 [8] 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 humedad relativa de temperatura e indican los rangos de temperatura. y humedad relativa que se sentirá cómoda con los valores ingresados para los cuatro parámetros restantes. [43]
El modelo PMV/PPD tiene una precisión de predicción baja. [44] Utilizando la base de datos de encuestas de campo sobre confort térmico más grande del mundo, [45] la precisión de PMV en la predicción de la sensación térmica de los ocupantes fue solo del 34%, lo que significa que la sensación térmica se predice correctamente una de cada tres veces. El PPD sobreestimaba la inaceptabilidad térmica del sujeto fuera de los rangos de neutralidad térmica (-1≤PMV≤1). La precisión de PMV/PPD varía mucho entre estrategias de ventilación, tipos de edificios y climas. [44]
ASHRAE 55 2013 tiene en cuenta velocidades del aire superiores a 0,2 metros por segundo (0,66 pies/s) por separado que el modelo de referencia. Debido a que el movimiento del aire puede proporcionar enfriamiento directo a las personas, particularmente si no usan mucha ropa, las temperaturas más altas pueden ser más cómodas de lo que predice el modelo PMV. Se permiten velocidades del aire de hasta 0,8 m/s (2,6 pies/s) sin control local, y es posible 1,2 m/s con control local. Este elevado movimiento de aire aumenta la temperatura máxima de un espacio de oficina en verano a 30 °C desde 27,5 °C (86,0 a 81,5 °F). [1]
"Energía virtual para el confort térmico" es la cantidad de energía que se necesitará para que un edificio sin aire acondicionado sea relativamente tan cómodo como uno con aire acondicionado . Esto se basa en el supuesto de que en la casa eventualmente se instalará aire acondicionado o calefacción. [46] 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 cuentan con calefacción ni refrigeración, debido a limitaciones económicas, así como a condiciones climáticas que bordean las condiciones de confort, como las frías noches de invierno en Johannesburgo (Sudáfrica) o los cálidos días 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 premiamos las características de diseño pasivo que mejoran el confort térmico hoy en día, disminuiremos el riesgo de tener que instalar sistemas HVAC en el futuro, o al menos nos aseguraremos de que dichos sistemas sean más pequeños y se utilicen con menos frecuencia. O en caso de que el sistema de calefacción o refrigeración no esté instalado debido al alto costo, al menos las personas no deberían sufrir molestias en el interior. Para dar un ejemplo, en San José, Costa Rica, si se diseñara una casa con un alto nivel de acristalamiento y aberturas pequeñas, la temperatura interna fácilmente superaría los 30 °C (86 °F) y la ventilación natural no sería suficiente. para eliminar las ganancias de calor internas y las ganancias solares. Por eso es importante la Energía Virtual para el Confort.
La herramienta de evaluación del Banco Mundial, el software EDGE ( Excelencia en diseño para mayores eficiencias ), ilustra los posibles problemas de incomodidad en los edificios y ha creado el concepto de energía virtual para el confort, que proporciona una forma de presentar posibles incomodidades térmicas. Este enfoque se utiliza para premiar soluciones de diseño que mejoran el confort térmico incluso en un edificio con pleno funcionamiento. A pesar de la inclusión de requisitos de 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 con frecuencia pueden ocurrir temperaturas interiores más frías. Esta puede ser una nueva área de investigación y orientación de diseño para la reducción del malestar.
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 SET. valor bajo aire en calma (0,1 m/s) como en el primer cálculo SET bajo velocidad de aire elevada. [1]
El CE se puede utilizar para determinar el PMV ajustado para un entorno con velocidad de 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 temperaturas radiantes medias menos el CE.
Evitar el malestar térmico local, ya sea causado por una diferencia vertical de temperatura del aire entre los pies y la cabeza, por un campo radiante asimétrico, por enfriamiento convectivo local (corriente) o por el contacto con un piso frío o caliente, es esencial para proporcionar una temperatura térmica aceptable. comodidad. Las personas generalmente son más sensibles al malestar local cuando su sensación térmica es más fría que neutral, mientras que son menos sensibles cuando su cuerpo está más cálido que neutral. [30]
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. ASHRAE Standard 55 establece límites a las diferencias de temperatura permitidas entre varias superficies. Debido a que las personas son más sensibles a algunas asimetrías que a otras, por ejemplo la de un techo cálido versus la de superficies verticales frías y calientes, los límites dependen de qué superficies estén involucradas. No se permite que el techo esté más de +5 °C (9,0 °F) más cálido, mientras que una pared puede estar hasta +23 °C (41 °F) más cálido que las otras superficies. [1]
Si bien el movimiento del aire puede ser agradable y brindar comodidad en algunas circunstancias, a veces no es deseado y causa malestar. Este movimiento de aire no deseado se llama "corriente" 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 partes descubiertas del cuerpo, 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 suelos demasiado cálidos o demasiado fríos pueden causar molestias, dependiendo del calzado. 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 ambiente térmico. Desarrollado por AP Gagge y aceptado por ASHRAE en 1986, [47] también se lo conoce como modelo Pierce de dos nodos. [48] Su cálculo es similar al PMV porque es un índice de comodidad integral basado en ecuaciones de equilibrio térmico que incorpora los factores personales de la ropa 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. [47]
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 por calor (temperatura de la piel) y tensión termorreguladora (humedad de la piel). como en el entorno de prueba real. [47]
La investigación probó el modelo con datos experimentales y descubrió que tiende a sobreestimar la temperatura de la piel y a subestimar la humedad de la piel. [48] [49] Fountain y Huizenga (1997) desarrollaron una herramienta de predicción de sensaciones térmicas que calcula SET. [50] El índice SET también se puede calcular utilizando la herramienta CBE Thermal Comfort Tool para ASHRAE 55, [8] el paquete Python pythermalcomfort, [9] o el paquete R comf.
El modelo adaptativo se basa en la idea de que el clima exterior influye en el confort interior porque los humanos pueden adaptarse a diferentes temperaturas durante diferentes épocas del año. La hipótesis adaptativa predice que los factores contextuales, como el acceso a controles ambientales y la historia térmica pasada, pueden influir en las expectativas y preferencias térmicas de los ocupantes del edificio. [3] Numerosos investigadores han realizado estudios de campo en todo el mundo en los que encuestan a los ocupantes de 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 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 fueron incorporados en la norma ASHRAE 55-2004 como modelo de confort adaptativo. El gráfico adaptativo relaciona la temperatura de confort interior con la temperatura exterior predominante y define zonas de 80% y 90% de satisfacción. [1]
La norma ASHRAE-55 2010 introdujo la temperatura exterior media predominante como variable de entrada para el modelo adaptativo. Se basa en el promedio aritmético de las temperaturas exteriores medias diarias durante no menos de 7 y no más de 30 días consecutivos antes del día en cuestión. [1] También se puede calcular ponderando las temperaturas con diferentes coeficientes, asignando cada vez más importancia a las temperaturas más recientes. En caso de utilizar esta ponderación, no será necesario respetar el límite superior para los días siguientes. Para aplicar el modelo adaptativo, no debería haber ningún sistema de refrigeración mecánico para el espacio, los ocupantes deberían realizar actividades sedentarias con tasas metabólicas de 1 a 1,3 met y una temperatura media predominante de 10 a 33,5 °C (50,0 a 92,3 ºC). °F). [1]
Este modelo se aplica especialmente a espacios controlados por los ocupantes y con condiciones naturales, donde el clima exterior puede afectar las condiciones interiores y, por tanto, la zona de confort. De hecho, los estudios de Dear y Brager demostraron que los ocupantes de edificios con ventilación natural toleraban una gama más amplia de temperaturas. [3] Esto se debe a ajustes tanto conductuales como fisiológicos, ya que existen diferentes tipos de procesos adaptativos. [51] La norma ASHRAE 55-2010 establece que las diferencias en las experiencias térmicas recientes, los cambios de ropa, 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 ISO 7730. Si bien los métodos y resultados de derivación exactos son ligeramente diferentes del estándar adaptativo ASHRAE 55, son sustancialmente los mismos. Una diferencia mayor está en la aplicabilidad. El estándar adaptativo ASHRAE solo se aplica a edificios sin refrigeración mecánica instalada, mientras que EN15251 se puede aplicar a edificios de modo mixto , siempre que el sistema no esté funcionando. [52]
Básicamente existen tres categorías de adaptación térmica: conductual, fisiológica y psicológica.
El nivel de comodidad 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 influenciada por el recuerdo de experiencias anteriores. La habituación tiene lugar cuando la exposición repetida modera las expectativas futuras y las respuestas a los estímulos sensoriales. 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 diferencias (llamadas psicológicas) entre el confort modelado y el informado. [ cita necesaria ]
El confort térmico como "estado de ánimo" se define en términos psicológicos. Entre los factores que afectan la condición 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. [53]
El cuerpo tiene varios mecanismos de ajuste térmico para sobrevivir en ambientes de temperaturas drásticas. En un ambiente frío el cuerpo utiliza la vasoconstricción ; lo 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. [54] Si hay un desequilibrio a pesar de los ajustes vasomotores enumerados anteriormente, en un ambiente cálido comenzará la producción de sudor y proporcionará enfriamiento por evaporación. Si esto es insuficiente, se producirá hipertermia , la temperatura corporal puede alcanzar los 40 °C (104 °F) y se puede producir un golpe de calor . En un ambiente frío, comenzarán los escalofríos, lo que obligará involuntariamente a los músculos a trabajar y aumentará la producción de calor hasta en un factor de 10. Si no se restablece el equilibrio, puede sobrevenir una hipotermia , que puede ser fatal. [54] 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 aumento del volumen sanguíneo, mejorando la eficacia de la vasodilatación, un mayor rendimiento del mecanismo del sudor y el reajuste de 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. [54]
En edificios con ventilación natural, los ocupantes toman numerosas medidas para mantenerse cómodos cuando las condiciones interiores se vuelven incómodas. Operar ventanas y ventiladores, ajustar persianas/persianas, cambiarse de ropa y consumir alimentos y bebidas son algunas de las estrategias de adaptación comunes. Entre ellos, ajustar las ventanas es el más común. [55] Aquellos ocupantes que realizan este tipo de acciones tienden a sentirse más frescos a temperaturas más cálidas que aquellos que no lo hacen. [56]
Las acciones de comportamiento influyen significativamente en las entradas de simulación de energía, y los investigadores están desarrollando modelos de comportamiento para mejorar la precisión de los resultados de la simulación. Por ejemplo, hasta la fecha se han desarrollado muchos modelos de apertura de ventanas, pero no hay consenso sobre los factores que desencadenan la apertura de ventanas. [55]
Las personas podrían adaptarse al calor estacional volviéndose más nocturnas, realizando actividad física e incluso realizando negocios por la noche.
La sensibilidad térmica de un individuo se cuantifica mediante el descriptor F S , que toma valores más altos para individuos con menor tolerancia a condiciones térmicas no ideales. [57] Este grupo incluye a las mujeres embarazadas, a los discapacitados, así como a las personas cuya edad sea inferior a catorce años o superior a sesenta, que se considera el rango adulto. La literatura existente proporciona evidencia consistente de que la sensibilidad a las superficies frías y calientes generalmente disminuye con la edad. También hay algunas pruebas de una reducción gradual de la eficacia del cuerpo en la termorregulación después de los sesenta años. [57] Esto se debe principalmente a una respuesta más lenta de los mecanismos de contraataque en las partes inferiores del cuerpo que se utilizan para mantener la temperatura central del cuerpo en valores ideales. [57] Las personas mayores prefieren temperaturas más cálidas que los adultos jóvenes (76 frente a 72 grados F o 24,4 frente a 22,2 grados Celsius). [53]
Los factores situacionales incluyen las actividades de salud, psicológicas, sociológicas y vocacionales de las personas.
Si bien las preferencias de confort térmico entre sexos parecen ser pequeñas, existen algunas diferencias promedio. Los estudios han encontrado que, en promedio, los hombres reportan malestar debido al aumento de temperatura mucho antes que las mujeres. Los hombres, en promedio, también estiman niveles más altos de sensación de malestar que las mujeres. Un estudio reciente evaluó a hombres y mujeres con la misma ropa de algodón, realizando trabajos mentales mientras usaban un dial para informar su comodidad térmica a los cambios de temperatura. [58] Muchas veces, las hembras preferían temperaturas más altas que los machos. Pero mientras las hembras tienden a ser más sensibles a las temperaturas, los machos tienden a ser más sensibles a los niveles de humedad relativa. [59] [60]
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. Para el análisis de datos se seleccionó la regresión jerárquica múltiple para moderador categórico; El resultado mostró que, como grupo, las mujeres eran ligeramente más sensibles que los hombres a la temperatura del aire interior, mientras que, bajo neutralidad térmica, se encontró que hombres y mujeres tenían una sensación térmica similar. [61]
En diferentes zonas 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 poblacional. [62] Los investigadores ahora están buscando formas de calentar y enfriar edificios en China a menores costos y también con menos daño al medio ambiente.
En las zonas tropicales de Brasil , la urbanización está creando islas de calor urbanas (UHI). Se trata de zonas urbanas que han superado los límites de confort térmico debido a la gran afluencia de personas y sólo caen dentro del rango confortable durante la temporada de lluvias. [63] Las islas de calor urbano pueden ocurrir en cualquier ciudad urbana o área urbanizada con las condiciones correctas. [64] [65]
En la región cálida y húmeda de Arabia Saudita , la cuestión del confort térmico ha sido importante en las mezquitas , debido a que son edificios abiertos muy grandes que se utilizan sólo de forma intermitente (muy concurridos para 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 sólo durante cortos períodos de tiempo. La regulación de la temperatura en las mezquitas es un desafío debido a la demanda intermitente, lo que hace que muchas mezquitas hagan demasiado calor o demasiado frío. 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. [66] También se están adoptando nuevas medidas de seguimiento para mejorar la eficiencia. [67]
El concepto de confort térmico está estrechamente relacionado con el estrés térmico. Esto 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 . [68] Generalmente, los seres 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 normales de humedad. Además, el desempeño humano en relación con el estrés térmico varía mucho según el tipo de tarea que realiza el individuo. Algunos de los efectos fisiológicos del estrés térmico incluyen un mayor flujo sanguíneo a la piel, sudoración y mayor ventilación. [69] [70]
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 que trabaja en un ambiente caluroso. [71] 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 conviene modificar 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 sólo considera sujetos estándar con buena salud y aptos para el trabajo que realizan. El PHS se puede determinar utilizando el paquete Python pythermalcomfort [9] o el paquete R comf.
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 sujeto el trabajador.
Esta metodología ha sido adoptada por la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) como un método eficaz para evaluar el estrés por calor en los lugares de trabajo. [72]
Los factores que afectan al confort térmico fueron explorados experimentalmente en los años 1970. Muchos de estos estudios condujeron al desarrollo y perfeccionamiento del Estándar 55 de ASHRAE y fueron realizados en la Universidad Estatal de Kansas por Ole Fanger y otros. Se descubrió que la comodidad percibida es una interacción compleja de estas variables. Se descubrió que la mayoría de los individuos estarían satisfechos con un conjunto ideal de valores. A medida que la gama de valores se desviaba progresivamente del ideal, cada vez menos personas estaban satisfechas. Esta observación podría expresarse estadísticamente como el porcentaje de individuos que expresaron satisfacción por las condiciones de comodidad 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 se sentían 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 cuanto a confort térmico que los edificios públicos y comerciales. Esto se debe a su menor tamaño, las variaciones en la vestimenta y los diferentes usos de cada habitación. Las principales estancias de interés son los baños y los dormitorios. Los baños deben tener una temperatura cómoda para una persona con o sin ropa. Los dormitorios son importantes porque deben adaptarse a diferentes niveles de ropa y también a diferentes tasas metabólicas de las personas dormidas o despiertas. [73] Las horas de malestar son una métrica común utilizada para evaluar el rendimiento térmico de un espacio.
Actualmente, el ejército está investigando el confort térmico en la ropa. Se están investigando nuevas prendas ventiladas para mejorar el enfriamiento por evaporación en entornos militares. Algunos modelos se están creando y probando en función de la cantidad de refrigeración que proporcionan. [74]
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. [75] [76] [77] Esto ha abierto un nuevo campo de modelado de confort térmico que tiene como objetivo calentar/enfriar partes seleccionadas del cuerpo.
Otra área de estudio es la hipótesis tono-calor que afirma que un ambiente con colores cálidos (tonos rojos, amarillo anaranjado) se sentirá más cálido en términos de temperatura y comodidad, mientras que un ambiente con colores fríos (tonos azules, verdes) se sentirá más fresco. . [78] [79] [80] La hipótesis del tono-calor ha sido investigada científicamente [81] y arraigada en la cultura popular en los términos colores cálidos y fríos [82]
Siempre que los estudios mencionados intentaron discutir las condiciones térmicas para diferentes grupos de ocupantes en una habitación, terminaron simplemente presentando comparaciones de satisfacción del confort térmico basadas en estudios subjetivos. Ningún estudio intentó conciliar las diferentes necesidades de confort térmico de los diferentes tipos de ocupantes que deben permanecer obligatoriamente en una habitación. Por tanto, parece necesario investigar las diferentes condiciones térmicas requeridas por diferentes grupos de ocupantes en hospitales para conciliar sus diferentes necesidades 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 realizan diferentes investigaciones sobre el confort térmico de los pacientes hospitalizados, también es necesario estudiar los efectos de las condiciones de confort térmico sobre la calidad y cantidad de la curación de los pacientes hospitalizados. También existen investigaciones originales que muestran el vínculo entre el confort térmico del personal y sus niveles de productividad, pero no se han producido estudios individualmente en hospitales en este campo. Por lo tanto, se recomienda investigar la cobertura y los métodos individualmente 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 quemados, etc.). Hay áreas importantes en las que aún es necesario centrarse para incluir el confort térmico del 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.
Finalmente, la interacción entre personas, sistemas y diseño arquitectónico en hospitales es un campo en el que se requiere más trabajo para mejorar el conocimiento de cómo diseñar edificios y sistemas para conciliar muchos factores conflictivos para las personas que ocupan estos edificios. [83]
Los sistemas de confort personal (PCS) se refieren a dispositivos o sistemas que calientan o enfrían personalmente a un ocupante de un edificio. [84] Este concepto se aprecia mejor en contraste con los sistemas centrales HVAC que tienen ajustes de temperatura uniformes para áreas extensas. Los sistemas de confort personal incluyen ventiladores y difusores de aire de diversos tipos (por ejemplo, ventiladores de escritorio, boquillas y difusores ranurados, ventiladores de techo, ventiladores de gran volumen y baja velocidad, etc.) y fuentes personalizadas de calor radiante o conductivo (calentadores de pies, calentadores de piernas, bolsas de agua caliente). etc.). El PCS tiene 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 vestimenta y la adaptación térmica pueden equivaler a una variación de temperatura equivalente de 2 a 5 K. , lo cual es imposible de atender para un sistema HVAC central y uniforme. [84] Además, la investigación ha demostrado que la capacidad percibida de controlar el entorno térmico de uno tiende a ampliar el rango de temperaturas tolerables. [3] Tradicionalmente, los dispositivos PCS se han utilizado aislados unos de otros. Sin embargo, ha sido propuesto por Andersen et al. (2016) que una red de dispositivos PCS que generan microzonas de confort térmico bien conectadas, informan información de los ocupantes en tiempo real y responden a solicitudes de actuación programáticas (por ejemplo, una fiesta, una conferencia, un concierto, etc.) se pueden combinar con los ocupantes. aplicaciones de construcción conscientes para permitir nuevos métodos de maximización del confort. [85]
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