Temperatura radiante media

Tipo de temperatura

El concepto de temperatura radiante media ( TMR ) se utiliza para cuantificar el intercambio de calor radiante entre un ser humano y su entorno, con el fin de comprender la influencia de las temperaturas de la superficie en el confort personal. La temperatura radiante media se ha definido tanto cualitativamente como cuantitativamente para entornos interiores y exteriores. ^{[1] [2] [3]}

La MRT se ha definido como la temperatura uniforme de un recinto imaginario en el que la transferencia de calor radiante del cuerpo humano es igual a la transferencia de calor radiante en el recinto no uniforme real. ^[4]

La temperatura media ponderada por área ( MRT) es un concepto útil, ya que el intercambio neto de energía radiante entre dos objetos es aproximadamente proporcional al producto de su diferencia de temperatura multiplicado por su emisividad (capacidad de emitir y absorber calor). La MRT es simplemente la temperatura media ponderada por área de todos los objetos que rodean al cuerpo. Esto es significativo siempre que las diferencias de temperatura de los objetos sean pequeñas en comparación con sus temperaturas absolutas , lo que permite la linealización de la Ley de Stefan-Boltzmann en el rango de temperatura relevante. ^{[ cita requerida ]}

La MRT también tiene una fuerte influencia en los índices de confort termofisiológico como la temperatura equivalente fisiológica (PET) o el voto medio previsto (PMV). ^[5]

Lo que experimentamos y sentimos en relación con el confort térmico en un edificio está relacionado con la influencia tanto de la temperatura del aire como de la temperatura de las superficies de ese espacio, representada por la temperatura radiante media. La temperatura media radiante está controlada por el rendimiento del cerramiento. ^{[ cita requerida ]}

La temperatura operativa , que es una medida más funcional del confort térmico en un edificio, se calcula a partir de la temperatura del aire, la temperatura radiante media y la velocidad del aire. ^[6] Mantener un equilibrio entre la temperatura operativa y la temperatura radiante media puede crear un espacio más confortable. ^[7] Esto se logra con un diseño eficaz del edificio, el interior y con el uso de refrigeración radiante de alta temperatura y calefacción radiante de baja temperatura. ^[8]

En entornos exteriores, la temperatura radiante media se ve afectada por la temperatura del aire, pero también por la radiación del calor absorbido por los materiales utilizados en aceras, calles y edificios. Se puede mitigar con la cobertura de árboles y espacios verdes, que actúan como fuentes de sombra y promueven el enfriamiento por evaporación. La temperatura radiante media experimentada en exteriores puede variar ampliamente según las condiciones locales. Por ejemplo, las mediciones realizadas en Chapel Hill, Carolina del Norte, para examinar la exposición a la isla de calor urbana oscilaron entre 93 y 108 °F (34 y 42 °C). ^[9]

Cálculo

Existen diferentes formas de estimar la temperatura radiante media, ya sea aplicando su definición y utilizando ecuaciones para calcularla, o bien midiéndola con termómetros o sensores específicos. ^{[1] [2]}

Dado que la cantidad de calor radiante que pierde o recibe el cuerpo humano es la suma algebraica de todos los flujos radiantes intercambiados por sus partes expuestas con las fuentes circundantes, la MRT se puede calcular a partir de la temperatura medida de las paredes y superficies circundantes y sus posiciones con respecto a la persona. Por lo tanto, es necesario medir esas temperaturas y los factores angulares entre la persona y las superficies circundantes. ^[4] La mayoría de los materiales de construcción tienen una alta emitancia ε, por lo que se puede suponer que todas las superficies de la habitación son negras. Debido a que la suma de los factores angulares es la unidad, la cuarta potencia de la MRT es igual al valor medio de las temperaturas de la superficie circundante a la cuarta potencia, ponderado por los respectivos factores angulares.

Se utiliza la siguiente ecuación: ^{[4] [10]}

${\displaystyle MRT^{4}=T_{1}^{4}F_{p-1}+T_{2}^{4}F_{p-2}+...+T_{n}^{4}F_{p-n}}$

dónde:

${\displaystyle MRT}$  es la temperatura radiante media;

${\displaystyle T_{n}}$        es la temperatura de la superficie "n", en Kelvin ;

${\displaystyle F_{p-n}}$   es el factor del ángulo entre una persona y la superficie "n".

Si existen diferencias de temperatura relativamente pequeñas entre las superficies del recinto, la ecuación se puede simplificar a la siguiente forma lineal: ^{[4] [10]}

${\displaystyle MRT=T_{1}F_{p-1}+T_{2}F_{p-2}+...+T_{n}F_{p-n}}$

Esta fórmula lineal tiende a dar un valor más bajo de MRT, pero en muchos casos la diferencia es pequeña. ^[4]

En general, los factores angulares son difíciles de determinar y normalmente dependen de la posición y orientación de la persona. Además, este método se vuelve complejo y lleva mucho tiempo a medida que aumenta el número de superficies y estas tienen formas elaboradas. Actualmente no hay forma de recopilar estos datos de manera efectiva. Por este motivo, una forma más sencilla de determinar el MRT es midiéndolo con un termómetro específico.

Medición

Un medidor de temperatura de globo húmedo portátil , que incluye un termómetro de globo negro (izquierda)

La TMR se puede estimar utilizando un termómetro de globo negro . El termómetro de globo negro consiste en un globo negro en cuyo centro se coloca un sensor de temperatura como el bulbo de un termómetro de mercurio, un termopar o una sonda de resistencia. El globo puede tener en teoría cualquier diámetro, pero como las fórmulas utilizadas en el cálculo de la temperatura radiante media dependen del diámetro del globo, generalmente se recomienda un diámetro de 15 centímetros (6 pulgadas), especificado para su uso con estas fórmulas. Cuanto menor sea el diámetro del globo, mayor será el efecto de la temperatura y la velocidad del aire, lo que provoca una reducción en la precisión de la medición de la temperatura radiante media. Para que la superficie externa del globo absorba la radiación de las paredes del recinto, la superficie del globo se oscurecerá, ya sea por medio de un revestimiento electroquímico o, más generalmente, por medio de una capa de pintura negra mate. ^[4] Este termómetro mide en realidad la temperatura del globo (GT), que tiende al equilibrio térmico bajo el efecto de la convección y la radiación provenientes de las diferentes fuentes de calor del recinto. Gracias a este principio, conocer GT permite determinar la temperatura radiante media MRT. ^[4] Según la Norma ISO 7726, la ecuación que se utiliza con mayor frecuencia (convección forzada) es la siguiente:

${\displaystyle MRT=\left[\left(GT+273.15\right)^{4}+{\frac {1.1\cdot 10^{8}\cdot v_{a}^{0.6}}{\varepsilon \cdot D^{0.4}}}(GT-T_{a})\right]^{1/4}-273.15}$

Cuando la velocidad del aire es menor a 1m/s (convección natural), la ecuación es la siguiente:

${\displaystyle MRT=\left[\left(GT+273.15\right)^{4}+{\frac {0.25\cdot 10^{8}}{\varepsilon }}\left({\frac {|GT-T_{a}|}{D}}\right)^{1/4}(GT-T_{a})\right]^{1/4}-273.15}$

dónde:

${\displaystyle MRT}$es la temperatura radiante media (°C);

${\displaystyle GT}$      es la temperatura del globo (°C);

${\displaystyle v_{a}}$        es la velocidad del aire a nivel del globo (m/s);

${\displaystyle \varepsilon }$          es la emisividad del globo (sin dimensión);

${\displaystyle D}$         es el diámetro del globo (m);

${\displaystyle T_{a}}$        es la temperatura del aire (°C);

Y para el globo estándar (D = 0,150 m, = 0,95): ${\displaystyle \varepsilon }$

${\displaystyle MRT=\left[\left(GT+273.15\right)^{4}+2.5\cdot 10^{8}\cdot v_{a}^{0.6}(GT-T_{a})\right]^{1/4}-273.15}$

La medición se ve afectada por el movimiento del aire porque la temperatura global medida depende tanto de la transferencia de convección como de la radiación. Al aumentar efectivamente el tamaño del bulbo del termómetro, se reduce el coeficiente de transferencia de convección y el efecto de la radiación aumenta proporcionalmente. Debido a las corrientes de aire convectivas locales, la temperatura global normalmente se encuentra entre la temperatura del aire y la temperatura media del aire. Cuanto más rápido se mueve el aire sobre el termómetro de globo, más se acerca la temperatura global a la temperatura del aire.

Además, dado que el MRT se define con respecto al cuerpo humano, la forma del sensor también es un factor. La forma esférica del termómetro de globo proporciona una aproximación razonable de la radiación de una persona sentada; para las personas que están de pie, el globo, en un entorno radiante no uniforme, sobreestima la radiación del suelo o el techo, por lo que un sensor elipsoide proporciona una mejor aproximación. ^[10]

Existen otras precauciones que se deben tomar al utilizar un termómetro de globo negro, según las condiciones de la medición. Además, existen diferentes métodos de medición, como el radiómetro de dos esferas y el sensor de temperatura constante del aire. ^[4]

Véase también

• Confort térmico
• Calefacción, ventilación y aire acondicionado
• ASHRAE
• Glosario de HVAC

Referencias

1. Guo, Hongshan; Aviv, Dorit; Loyola, Mauricio; Teitelbaum, Eric; Houchois, Nicholas; Meggers, Forrest (1 de enero de 2020). "Sobre la comprensión de la temperatura radiante media en el ambiente interior y exterior, una revisión crítica". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 117 : 109207. doi : 10.1016/j.rser.2019.06.014 . ISSN  1364-0321. S2CID  208834605 . Consultado el 6 de diciembre de 2022 .
2. Bean, Robert (2010). "Temperatura radiante media (TMR) - Parte I". Calefacción saludable . Consultado el 6 de diciembre de 2022 .
3. Di Napoli, Claudia; Hogan, Robin J.; Pappenberger, Florian (1 de julio de 2020). "Temperatura radiante media a partir de modelos numéricos de predicción meteorológica a escala global". Revista Internacional de Biometeorología . 64 (7): 1233–1245. doi : 10.1007/s00484-020-01900-5 . ISSN  1432-1254. PMC 7295834 . PMID  32274575. 
4. "ISO 7726. Ergonomía del entorno térmico - Instrumentos para medir magnitudes físicas" . Ginebra, Suiza: Organización Internacional de Normalización. Noviembre de 1998.Actualizado al 2021.
5. Fanger, PO (1970). Confort térmico: análisis y aplicaciones en ingeniería ambiental . Nueva York: McGraw Hill.
6. Reynolds, Mike (8 de febrero de 2020). "Diseño de viviendas para el confort humano". ecoHOME .
7. Matzarakis, Andreas. Estimación y cálculo de la temperatura radiante media dentro de estructuras urbanas .
8. Mclntyre y Griffiths, DA e ID (1972). Respuesta del sujeto a ambientes radiantes y convectivos .
9. Waldrop, M. Mitchell (19 de octubre de 2022). "¿Qué pueden hacer las ciudades para sobrevivir al calor extremo?". Revista Knowable . doi : 10.1146/knowable-101922-2 . Consultado el 6 de diciembre de 2022 .
10. 2009 Fundamentos del manual ASHRAE, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA.

Enlaces externos

• http://ergo.human.cornell.edu/DEA3500allnotes.html