Capítulo 1: Confort Térmico PDF

CONFORT TÉRMICO CONTENIDO 1. ¿Qué es el confort térmico? 2. La dialéctica de la teoría contemporánea de confort térmico 2.1. Escuela de confort estática 2.2. Escuela de confort adaptativo 3. Rangos de confort térmico para Montevideo y Salto 4. Referenc...

CONFORT TÉRMICO CONTENIDO 1. ¿Qué es el confort térmico? 2. La dialéctica de la teoría contemporánea de confort térmico 2.1. Escuela de confort estática 2.2. Escuela de confort adaptativo 3. Rangos de confort térmico para Montevideo y Salto 4. Referencias bibliográficas Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO I. El confort térmico en los edificios El objetivo principal de la disciplina del acondicionamiento térmico es capacitar a los arquitectos para que los espacios creados ofrezcan condiciones de bienestar térmico. El confort térmico hace referencia a estas condiciones. El estudio del confort térmico pretende analizar las respuestas del ser humano con respecto a las condiciones termo físicas del ambiente. 1. ¿Qué es el Confort térmico? El concepto de confort ha ido variando a lo largo de la historia, de manera que en distintos períodos ha asumido distintos significados. El término fue sinónimo de consolar por su raíz latina “confortare”. En el SXVII está vinculado con lo privado, “lo doméstico”, la intimidad; en el S XVIII se relaciona con el ocio y la comodidad; en el SXIX este concepto se conecta con la ventilación, la luz, el calor y con todos los temas higienistas y recién en el SXX se empieza a trabajar para lograr la eficiencia del confort y la comodidad. A continuación se presentan distintas definiciones: 1. Según la American Society of Heating and Air Conditioning Engineers, ASHRAE el confort, “es la condición de la mente que expresa la satisfacción con el entorno térmico”. 2. “Es la sensación satisfactoria del estado fisiológico en donde se realiza el menor desgaste físico – o esfuerzo placentero – para realizar las actividades. La sensación de confort térmico sólo puede ser alcanzada cuando el cuerpo relacionándose con el medio ambiente cede la cantidad de calor excedente sin un esfuerzo termorregulador conciente. A esta situación se le llama de equilibrio térmico.”1 3. “El confort térmico de un individuo se alcanza cuando las condiciones del medio permiten que el sistema termorregulador esté en mínima tensión.”2 4. Según Serra y Coch (1995), el confort o el disconfort por ser una sensación propia del inconsciente podemos o no conocerla hasta que algunas circunstancias nos obligan a fijarnos en esa sensación de bienestar. 5. Para la Organización Mundial de la Salud, OMS, (Roset, 2001), el confort “es un estado de bienestar físico, mental y social”. Unas definiciones apuntan más hacia lo fisiológico (2, 3), otras más hacia lo subjetivo (1, 4, 5). A partir de esas definiciones, entendemos cabalmente: ¿Qué es el confort térmico? ¿O cómo podríamos definir un ambiente térmico confortable? Las respuestas a estas preguntas tienen una fuerte relación con la manera en que diseñamos y operamos los edificios, que resulta en edificios acondicionados permanentemente sea cual fuere el tipo de clima y las características culturales del contexto o en edificios no acondicionados permanentemente, que permiten a los ocupantes sentirse en bienestar y conectados a su clima y cultura. La cuestión es si los ocupantes de estos diferentes tipos de edificios definirían confort de la misma manera. i Tanto en el campo de la investigación como de las normativas referidas a confort térmico se presentan dos modelos: el “adaptativo” y el “estático”, con diferentes bases metodológicas, enfoques y prescripciones sobre cómo debería ser manejado el clima interior de un edificio. Estas prescripciones tienen implicancias sobre el diseño, los medios de control del ambiente térmico y la cantidad de energía a consumir para lograr un ambiente térmico confortable. Los modelos estáticos dieron como resultado estándares que han sido aplicados universalmente para todo tipo de edificios y poblaciones y se caracterizan por su mínimo reconocimiento del clima exterior y del contexto, por lo que han contribuido a incrementar la dependencia del acondicionamiento mecánico, especialmente la refrigeración. Estos estándares (ISO 7730/1994, ANSI/ASHRAE Standard 55/1994) prescriben condiciones ‘ideales’ para el confort térmico que están basados en el modelo de balance de calor del cuerpo humano y derivados de experimentos de laboratorio en cámaras climáticas. 1 Extraído de las guías de clase de Acondicionamiento Térmico, J. M. Aroztegui, 2004. 2 Extraído de “Arquitectura y clima”, pág. 73 y ss, Acondicionamiento Térmico Natural, Arq. Roberto Rivero,1988 Facultad de Arquitectura ‐ UR 2 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO La principal cuestión en este debate se refiere, quizás, a la aplicación de estos estándares en edificios sin acondicionamiento mecánico permanente. Para comprender este tema deberíamos tomar en cuenta, entre otros, los aspectos sociales y culturales del confort, incluyendo la variación que se da entre las personas en relación con la necesidad o deseo de aire acondicionado. Esto implica cambiar el modo de ver la relación entre las personas y su ambiente térmico. La visión alternativa adopta la noción de que las personas juegan un rol instrumental en la creación de sus propias preferencias térmicas a través de la manera en que interactúan con el ambiente, sea modificando su propio comportamiento o sea adaptando gradualmente sus expectativas para enfrentar (en términos de relación) al ambiente térmico. Estas nociones fueron adquiridas y avaladas a partir de investigaciones de campo, con personas que responden a encuestas realizadas en condiciones reales de uso del edificio en su contexto; condiciones dinámicas en términos del ambiente térmico y de las actividades de sus ocupantes. Los modelos adaptativos recomiendan estándares de temperatura interior variable que toman en consideración las capacidades de adaptación y preferencias de los ocupantes de los edificios y las características climáticas de la localidad (ASHRAE 55‐2004). La aplicación de este enfoque permite, potencialmente, controles más responsables con el ambiente, mejores niveles de confort de los ocupantes, menores consumos de energía y un diseño relacionado al clima, porque pone en valor los mayores controles de las personas sobre el ambiente interior y los niveles de temperatura interior relacionados fuertemente a los patrones de la temperatura exterior.ii 2. La dialéctica de la teoría contemporánea de confort térmico En la investigación contemporánea sobre el confort térmico hay una escisión que se describe en las dos teorías mencionadas: La escuela de confort “estática" (Fanger 1972) y la "adaptable" (Auliciems 1989; Nicol 1993, De Dear 1997). 2.1. Escuela de confort estática El modelo estático considera a la persona como un receptor pasivo de estímulos térmicos. Se basa en la suposición de que los efectos de un ambiente térmico dado son mediados exclusivamente por la física de la termodinámica y de los intercambios de masa en la superficie del cuerpo, mientras que el mantenimiento de una temperatura interna constante del cuerpo necesita algunas respuestas fisiológicas. Esta lógica determinista está basada en los modelos de balance térmico. Humedad relativa Temperatura del Temperatura del aire aire Calor producido Calor producido por por actividad actividad Temperatura radiante Temperatura radiante Velocidad del Velocidad del aire aire Tipo de vestimenta Fig.0. Principales factores y parámetros que afectan el confort según los modelos de equilibrio térmico. Modificado de Simancas, 2003 Según los modelos de equilibrio térmico: Los parámetros del confort son aquellas variables que son decididas por el diseñador: Interiores: Temperatura del aire Temperatura radiante Humedad Relativa del aire Velocidad del aire Facultad de Arquitectura ‐ UR 3 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Los factores del confort son aquellas variables que dependen del usuario (no del diseñador): Socioculturales: Tipo de vestimenta Fisiológicos: Tasa de Metabolismo El confort térmico está influido por el estado térmico del sujeto, esto es, qué cantidad de calor está produciendo como residuo de la actividad física que desarrolla en ese momento. Se la denomina tasa de metabolismo y depende del sexo y la edad de las personas entre otras variables. Generalmente los índices utilizan tasa promedio. La correlación entre las variables consideradas se expresan a través de los siguientes índices: Voto Medio Previsto (PMV), Temperatura Efectiva (ET) y SET (Temperatura Efectiva Estándar) que se explican más adelante. En esta escuela se asume que el equilibrio térmico es la condición básica (pero no suficiente) para el confort térmico y está dado por el balance térmico igual a 0 sin que se accionen los mecanismos termorreguladores de vasodilatación (ej. sudoración) o de vasoconstricción (ej. “piel de gallina”). S = M – ( +T ) – E + R + Cv + Cd =0 EQUILIBRIO TÉRMICO Donde: S= cambio en el contenido de calor del cuerpo expresado como la variación en la temperatura promedio del cuerpo. M= metabolismo en relación con el consumo de oxígeno. T= trabajo mecánico desarrollado E= intercambio por pérdida evaporativa, causada por la evaporación de fluidos orgánicos R, Cv, Cd= intercambios de calor sensible con el ambiente por radiación, convección y conducción respectivamente. Pero este balance 0 no es la única condición para alcanzar el confort. Para actividades sedentarias, por ejemplo, también es necesaria la uniformidad térmica, que implica controlar corrientes de aire frías y gradientes de temperatura (diferencias de temperatura del aire del local, diferencias de temperatura entre superficies orientadas y entre temperaturas superficiales y la temperatura del aire, ver fig.1). Veloc aire ≤ 0.15m/s invierno Referencias: Tt= temperatura de techo Tp= temperatura de piso T1= temperatura superficial vidrio (pared enfrentada) T2=temperatura de superficial pared Fig. 1. Uniformidad térmica Análisis de las variables intervinientes en el equilibrio térmico El calor producido por la actividad deberá ser evacuado por las formas de la transmisión del calor: conducción, radiación, convección y evaporación. Facultad de Arquitectura ‐ UR 4 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO La actividad Además del “metabolismo basal”, calor producido por una persona realizando funciones vitales de subsistencia (respiración, bombeo del corazón, etc.), se mide el flujo térmico cedido por metro cuadrado de superficie de piel (W/m2), como indicador de la actividad que se encuentra desarrollando el individuo. También se utiliza el met, que es la relación entre la potencia térmica (W ó kcal/h) y la superficie corporal. El met de una persona sentada y su equivalencia con otras unidades es: 1 met = 58,15 W/m2 = 50 kcal/h∙m2 El área de piel o superficie corporal promedio para una persona adulta es la llamada Área de Dubois y se puede estimar por la expresión: Ap=0.202m 0.425h0.725 Siendo m= masa (kg): h= altura (m). Para un individuo de 70kg y de 1.7 m de altura, el área resulta de 1.8 m2. Tabla 1. Valores medios de generación de calor según actividades. Fuente UNE‐EN ISO 7730 PRODUCCIÓN DE ENERGÍA METABÓLICA Valor Actividad met W/m2 kcal/h∙m2 Tendido y en reposo 0,8 46,5 40 Sentado y en reposo 1 58,2 50 Actividad ligera, sentado (oficina, hogar, escuela, laboratorio) 1,2 69,8 60 Actividad ligera, de pie (de compras, laboratorio, industria ligera) 1,6 93 80 Actividad media, de pie (vendedor, tareas domésticas, trabajo con máquinas) 2 116,3 100 Marcha en llano a 2 km/h 1,9 110,5 95 Marcha en llano a 3 km/h 2,4 139,6 120 Marcha en llano a 4 km/h 2,8 162,8 140 Marcha en llano a 5 km/h 3,4 197,7 170 Tabla 2. Calor generado y agua evaporada por unidad de tiempo para un hombre de 1.80m2 de área de piel La ropa Se reconoce como lo que siempre ha sido: el primer recurso de mediación entre el cuerpo humano y el ambiente en el que se desenvuelve. De hecho sería posible hacer una historiografía de la indumentaria paralela a la de la arquitectura, tomando como eje la forma en que los diversos grupos humanos se han adaptados a los diferentes climas terrestres. La ropa cumple varias funciones de protección para el ser humano, incluyendo aquellas derivadas de las necesidades culturales de privacidad e intimidad. Desde el punto de vista térmico, aunque no siempre es así, la función principal de la ropa es proporcionar un determinado nivel de aislamiento, controlando los intercambios de calor y vapor del cuerpo humano. Al constituir una serie de barreras interpuestas entre la piel y el medio ambiente, por una parte son resistencias térmicas y por otro son Facultad de Arquitectura ‐ UR 5 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO resistencias a la difusión del vapor de agua evaporado al nivel de la piel. Es a partir de ese enfoque que se han desarrollado diversos sistemas de clasificación de la ropa de acuerdo a su valor de aislamiento. El de uso más extendido emplea una escala basada en la unidad Clo (abreviación de la palabra inglesa Clothing) Tabla 3. Valores del aislamiento de la ropa en clo, según INSHT‐NTP74. Aislamiento Tipo de ropa (clo.) Desnudo 0 clo. Ropa Ligera (ropa de verano) 0,5 clo. Ropa Media (traje completo) 1 clo. Ropa Pesada (traje completo con campera) 1,5 clo. La resistencia a la difusión del vapor de agua de la ropa contribuye en gran medida a reducir las pérdidas térmicas por la evaporación de la transpiración, mientras no se moje la ropa por debajo de la barrera al vapor. La temperatura del aire Es la temperatura (ºC) medida con el termómetro normal, también llamada de bulbo seco. El intercambio térmico se produce por convección entre el aire y la superficie de la piel o de la ropa. La velocidad del aire La velocidad del aire (m/s) afecta los intercambios convectivos y facilita la evaporación de la transpiración (y por lo tanto la cesión de calor). Su efecto sobre el confort por lo tanto dependerá de la temperatura y de la humedad del aire. En condiciones de frío tiene importancia la temperatura y la velocidad, pero en situaciones de calor la humedad relativa es fundamental. La humedad relativa La humedad relativa (%) indica la facilidad con que el aire evapora el agua y la transpiración a nivel de la piel o la ropa, y que se aumenta con la velocidad del aire. Si el aire está más caliente que la piel y seco, es posible que el calor incorporado por convección sea inferior al retirado por evaporación. De todas maneras, la ventilación con el aire a más de 30ºC es muy poco eficiente. La temperatura radiante de la envolvente Para prever las condiciones de confort en los espacios interiores es fundamental conocer las temperaturas medias de los planos que envuelven al individuo, ponderadas de acuerdo a la posición que ocupan. Técnicas para evaluar un ambiente térmico en la escuela ‘estática’ de confort térmico Índices ASHRAE Con los mayores requerimientos para el confort y sobre todo con la aparición del aire acondicionado, se comenzaron a elaborar índices que pudieran predecir el comportamiento humano frente a las distintas acciones a la que esté sometido por su entorno. En “Handbook of Fundamentals, ASHRAE 1997” se clasifican los índices según tres clases: 1‐índices directos (mediciones de temperatura de bulbo seco y húmedo, humedad relativa, etc.); 2‐ índices racionales (derivan de la ecuación general de balance térmico, por ejemplo: temperatura media radiante, temperatura operativa), 3‐índices empíricos basados en respuestas subjetivas, siendo el índice de temperatura efectiva3 uno de los principales. El índice de temperatura efectiva (ET) fue desarrollado por Houghten, Yaglou and Miller de ASHRAE. Los factores que incluyen son temperatura, humedad y velocidad del aire [Man, Climate and Architecture, 1976]. Fue establecida como aquella temperatura de un aire quieto y saturado que produce la misma sensación subjetiva térmica que el aire considerado. Relaciona temperatura húmeda y seca con respuesta humana. 3 Extraído Manual de Arquitectura bioclimática, Guillermo‐Nota, 2003,pág 137 Facultad de Arquitectura ‐ UR 6 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Ejemplo. Para una persona realizando actividades sedentarias en un ambiente con temperatura de bulbo seco de 28ºC y temperatura de bulbo húmedo de 23.8ºC, lo que indica que la HR es 70%, y una velocidad del aire interior de 0.1m/s (aire quieto), la ET corresponde a 26.1ºC (caso a). Pero si la HR fuera 40% para la misma temperatura seca y velocidad del aire, la temperatura de bulbo húmedo será 18.5ºC y la ET corregida 23.8ºC (caso b). Esta disminución de temperatura o sensación térmica más baja que la persona está sintiendo, tiene que ver con el mayor enfriamiento evaporativo debido a la capacidad que tiene el aire más seco de aceptar la humedad producida. Si la HR fuera de 100%, la temperatura seca sería igual a la húmeda y por lo tanto también a la ET, que no disminuiría porque el aire está saturado (caso c). Si aumentamos la velocidad del aire a 1 m/s (por medio naturales‐ventilación natural o por medios mecánicos–ventilador), la ET corregida es de 24.8ºC en el caso a1 y de 22.7ºC en el caso b1. Tabla 4.‐ Valores de Temperatura Efectiva corregida para distintos casos. Condiciones del ambiente interior Tb seco HR Tbhúmedo Velocidad Temp. efectiva casos (ºC) (%) (ºC) aire (m/s) corregida ET (ºC) Caso a 28 70 23.8 0.1 26.1 Caso a1 28 70 23.8 1 24.8 Caso b 28 40 18.5 0.1 23.8 Caso b1 28 40 18.5 1 22.7 Caso c 28 100 28 0.1 28 Vemos así que es más fácil obtener confort cuando interrelacionamos los efectos producidos por distintas formas de transferencia de calor; para los ejemplos vistos hablamos de evaporación y convección. Temperatura de bulbo seco en ºC c a a1 b1 b Temperatura de bulbo húmedo en ºC Velocidad del aire m/s 0.1 Fig.2. Temperatura efectiva corregida Fuente: Ashrae 55‐1992 Facultad de Arquitectura ‐ UR 7 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Temperatura efectiva ºC entalpía Temperatura de bulbo seco ºC Fig.4. Ábaco psicrométrico donde se representa la zona de confort de ASHRAE (rayado en gris) y la temperatura efectiva (líneas punteadas). Fuente: Universidad de Kansas, Yaglou y Hougthon ASHRAE también produce la Temperatura Efectiva expandida, nombrada como Standard Effective Temperature (SET), desarrollada por Gagge et al y que se grafica en el Diagrama Psicrométrico, fig.4. Incorpora diferentes actividades y arropamiento de una persona estándar. Este y otros índices fueron evaluados por Markus and Morris (1980), encontrando que no todos consideran de forma balanceada algunos de los parámetros que intervienen en la evaluación. Consideran que el más completo es el SET porque abarca todos los aspectos que intervienen en el bienestar del hombre según la escuela clásica (actividad, ropa, velocidad, humedad relativa y temperatura del aire y temperatura de radiación). En SET se presentan más de 50 combinaciones de estos parámetros para definir el confort térmico. Normas ISO4 7730:1994 Esta norma está basada en estudios realizados por Fanger. Tiene dos propósitos: a‐Presentar un método para predecir la sensación térmica y el grado de disconfort (no satisfacción térmica) de las personas expuestas a condiciones térmicas ‐ ambientales moderadas; b‐Especificar las condiciones aceptables de confort térmico. Sugiere que puede ser utilizada para el diseño de nuevos espacios así como para la evaluación de espacios ya construidos. La norma considera dos métodos: PMV (predicted mean vote, voto medio previsto) PPD (percent of dissatisfied, porcentaje previsto de insatisfacción) El voto medio previsto expresa la opinión de un universo de individuos (sanos, sometidos a un mismo clima) sobre las condiciones térmicas del ambiente, mediante una escala de valoración del ambiente que consta de 7 puntos: ‐3 muy frío ‐2 frío ‐1 aceptablemente frío 0 ni frío ni calor +1 aceptablemente cálido +2 cálido +3 muy cálido 4 The International Organization for Standardization Facultad de Arquitectura ‐ UR 8 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO La norma establece que el ambiente es confortable cuando hay menos de un 10 % de personas insatisfechas. Esto corresponde a un entorno de +0.5 a –0.5 de PVM. Un ejemplo de propuesta de rango de confort para cualquier persona ubicada en cualquier lugar, se presenta en la figura 5a: Modelo PMV/PPD Temperatura de confort (ºC) 23.80 Amplitud de confort 21.80 a 25.80 Fig.5a. Extraído de la tesis: Predição de Conforto Térmico em Ambientes Internos com Atividades Sedentárias ‐ Teoria Física Aliada a Estudos de Campo, Antônio Augusto Xavier, 2000 Índices de Fanger Por procedimientos experimentales Fanger ha correlacionado las variables intervinientes en el equilibrio térmico, con el “Voto Medio Probable”, PVM. La ecuación es muy compleja y por esta razón es común que se fijen tres variables y se presenten en gráficos como los que se muestran en fig. 5b y 5c. 32 ºC Situaciones de equilibrio térmico (Fanger) Humedad relativa HR entre 40 y 60% Fig. 5.b. Situaciones de equilibrio térmico para vestimentas de 0.5 y 1 clo y actividades sedentarias (110 W) o medias (210 W), y TMR, taire y velocidad del aire variables Facultad de Arquitectura ‐ UR 9 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Ejemplo 1 (fig. 5b) Si estamos en verano (vestimenta liviana, 0.5 clo) y realizando una actividad sedentaria de 110 W, en un ambiente interior con una temperatura ta = 23ºC y una velocidad del aire v= 0.2 m/s, para mantener el equilibrio térmico la temperatura radiante del espacio deberá ser de 32 ºC. Sin embargo, si atendemos a las condiciones de uniformidad térmica que recomiendan que la diferencia entre la temperatura radiante y la temperatura del aire no supere los 4ºC, sería difícil estar en confort térmico debido a asimetrías radiantes. Ejemplo 2 (fig. 5c) ¿Qué evaluación probable del ambiente térmico hará una persona caminando a 0.9 m/s (210 W) con ropas de verano (0.5 clo) en un ambiente calmo (v=0.1m/s) con el aire a 20ºC, HR 50% y una temperatura media radiante igual a la del ambiente? Respuesta: El gráfico de Rivero indicará que la persona se encuentra ‘levemente caluroso’, pero aún no comienza el inconfort. Fig. 5.c. Límites de confort según Rivero Límites del confort (R. Rivero) 2.1.2. Escuela de confort adaptativo (traducido de De Dear et al, 1997) En el modelo adaptativo se consideran los factores fundamentales de la física y la fisiología interactuando con la percepción térmica. Estos factores pueden incluir aspectos demográficos (sexo, edad, situación económica), el contexto (diseño del edificio, diseño de la envolvente, estación del año, posición social), y las preferencias y expectativas de los ocupantes (McIntyre, 1982, Baker 1993, Baker y Standeven 1994, Oseland 1994a, b, Griffiths et al 1988). La mayoría de los factores nombrados no son considerados en los estudios en la cámara climática desarrollados por la escuela de confort estática (Fanger 1972b, de Dear et al, 1991a). Sin embargo estos factores no se pueden descartar tan fácilmente en el contexto de los edificios reales. ¿En qué consiste la adaptación? Adaptarse (acción de adaptar) según la real academia es: 1. tr. Acomodar, ajustar algo a otra cosa. 2. tr. Hacer que un objeto o mecanismo desempeñe funciones distintas de aquellas para las que fue construido. 3. tr. Modificar una obra científica, literaria, musical, etc., para que pueda difundirse entre público distinto de aquel al cual iba destinada o darle una forma diferente de la original. 4. prnl. Dicho de una persona: Acomodarse, avenirse a diversas circunstancias, condiciones, etc. 5. prnl. Biol. Dicho de un ser vivo: Acomodarse a las condiciones de su entorno. Facultad de Arquitectura ‐ UR 10 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO El término genérico de "adaptación" hace referencia a todos los mecanismos de adaptación fisiológica de aclimatación y a los procesos conductuales y psicológicos que sufren los ocupantes del edificio con el fin de mejorar y ajustar las condiciones ambientales interiores a las necesidades personales o colectivas. Adaptación al clima interior Ajustar Habituar Comportamiento adpatación psicosocial - cambio en el Aclimatar Cambiar expectativas balance térmico adaptación al clima, proceso de largo tiempo Fig.6. adaptación al clima interior. Fuente: De dear, 1997 Categorías de adaptación A partir de la definición amplia (4 y 5), es posible distinguir claramente tres categorías de adaptación (Folk 1974, 1981, Goldsmith 1974, Prosser 1958, Clark y Edholm 1985): 1. Ajuste de Conducta. Consiste en cómo el organismo administra el equilibrio térmico. Esto incluye todos los cambios que una persona puede hacer, consciente o inconscientemente, que a su vez modifican los flujos (intercambios) de calor y masa entre el cuerpo y el ambiente. Se define el ajuste en términos de tres subcategorías: a) el ajuste personal: adaptación al entorno mediante el cambio personal en las variables, tales como el ajuste de la ropa, la actividad, la postura, comer o beber (frío / calor) o el traslado a un lugar diferente. b) ajuste tecnológico o de medio ambiente: la modificación del entorno en sí mismo cuando el control está disponible, tales como abrir / cerrar las ventanas o las cortinas, encendido de ventiladores, calefacción o HVAC (Las siglas HVAC corresponden al acrónimo inglés de Heating, Ventilating and Air Conditioning; corresponde a todos los equipos que trabajan con: Calefacción, Ventilación y Aire acondicionado), el bloqueo de difusores de aire u otros controles, etc, c) los ajustes culturales, referidos a patrones culturales (siestas, códigos de vestimenta, etc). El ajuste de calor del cuerpo a través del comportamiento, tratando de lograr el equilibrio, ofrece probablemente las mayores oportunidades para las personas, que desempeñan así un papel activo en el mantenimiento de su propia comodidad. La posibilidad de que los ocupantes del edificio puedan o no cambiar su comportamiento interactuando con su clima interior depende de factores de contexto. Contexto puede ser descrito en términos de oportunidad de adaptación, es decir, si los edificios permiten a sus ocupantes un ámbito de aplicación de las intervenciones de adaptación (Baker y Standeven 1994). La oportunidad de adaptación puede deberse a: un atributo del propio edificio, por ejemplo, las ventanas se abren? en qué medida los ocupantes pueden colocarse lejos o cerca de las ventanas? son oficinas individuales o se abren a un espacio central? las características de los sistemas complementarios, por ejemplo, se trata de un sistema central de HVAC sin control individual o es un sistema con control individual?, existen controles de aire acondicionado en cada lugar de trabajo?, las condiciones organizativas y sociales que prevalecen en el edificio, por ejemplo, existe un estricto código de vestimenta o cada uno puede vestirse como quiere? Cuáles son los horarios de funcionamiento del edificio? Es para todo el año igual? El lado oscuro de las oportunidades de adaptación lo constituyen las limitaciones al control térmico, que pueden ser reunidas bajo cinco epígrafes principales (Nicol y Humphreys 1972, Humphreys, 1994): a) el clima, ya que los edificios en climas extremos ofrecen a sus ocupantes menos oportunidades de adaptación. Facultad de Arquitectura ‐ UR 11 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO b) los costos de control del medio ambiente térmico, tanto inicial como de mantenimiento, a menudo exceden los recursos de que se dispone. c) las costumbres sociales, ¿Hasta qué punto puedo cambiar mi ropa? Son patrones de ropa determinados por el clima, la moda o la religión, la empresa? d) las limitaciones debido a la ocupación. e) el diseño del edificio, por ejemplo la calidad del diseño de las protecciones, la adecuación climática en cuanto a orientación, ubicación y tamaño de la ventana. La eficacia última de cualquier forma de control de adaptación debe ser medido en términos de satisfacción de los ocupantes y, preferiblemente, debe ser evaluado en términos de control disponible (posibilidad de adaptación) vs control ejercido (control físico real que tiene lugar) vs la percepción de control (Paciuk 1989, 1990). La literatura actual sobre el tema plantea que la cuestión de ajuste del comportamiento y control del medio ambiente es fundamental para la aceptabilidad térmica, y por lo tanto debe ser un factor examinado. En pocas palabras, si una persona está incómoda debe adaptarse y tomar medidas correctivas, y esto se convierte en el punto de partida de la retroalimentación en el modelo de adaptación. Clima Ropa + Balance Regulación Sensación Disconfort interior actividad energía psicológica térmica disatisfacción cuerpo Ajuste del comportamiento Fig.7. Mecanismos de retroalimentación del comportamiento 2. Adaptación fisiológica. La definición más completa de la adaptación fisiológica incluye todos los cambios en las respuestas fisiológicas que resultan de la exposición a factores ambientales térmicos y que conducen a una disminución gradual en la tensión inducida por la exposición. La adaptación fisiológica puede desglosarse en dos subcategorías: a) Adaptación genética: son las alteraciones que se han convertido en parte de la genética de una persona o grupo de personas, desarrollada en el tiempo en escalas más allá de la vida de un individuo, y b) Aclimatación: cambios en la configuración del sistema de termorregulación fisiológica de una persona durante un período de días o semanas, en respuesta a la exposición a uno o una combinación térmica de los factores de estrés ambiental. La aclimatación es una retroalimentación inconsciente mediada por el sistema nervioso autónomo que afecta directamente a nuestros puntos de ajuste de termorregulación fisiológica. La aclimatación fisiológica asociada al estrés por frío es principalmente de comportamiento (Clark y Edholm 1985). Las pruebas de aclimatación fisiológica están mucho más documentadas para la exposición al calor, ya sea metabólica o inducida por el ambiente (Folk 1974, 1981, Fox 1974, ASHRAERP‐884 y Bruce 1960, Berglund y McNall 1973, Givoni y Goldman, 1973). La principal respuesta fisiológica al estrés por calor prolongado inducido por un régimen de trabajo es la capacidad de aumento de la sudoración para una carga de calor determinada. Los otros cambios vinculados incluyen un descenso en la temperatura del cuerpo cuando la sudoración comienza, una mejor distribución de sudor sobre su piel en comparación con una persona no aclimatada. La aclimatación al calor seco tiene lugar principalmente en la primera semana de exposición, mientras que se requiere un período más largo para la aclimatación al frío (Bruce 1960). El patrón de aclimatación al calor en los climas húmedos difiere de manera significativa (González et al 1974, Goldman et al 1965). El ajuste del comportamiento descrito en el proceso de respuesta fisiológica de aclimatación puede ser representada esquemáticamente: Clima Clima Pensam.psicológico Disconfort exterior interior y regulación Disatisfacción Aclimatación Fig.8. Mecanismos de aclimatación Facultad de Arquitectura ‐ UR 12 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO 3. Adaptación Psicológica (habituar). La dimensión psicológica de la adaptación se refiere a la percepción de las condiciones ambientales interiores y la reacción a la información sensorial. La percepción térmica está directa y significativamente atenuada o modificada por las propias experiencias y expectativas (variables cognitivas y culturales) ante el clima interior. Esta forma de adaptación implica "puntos de ajuste de confort" que puede variar en el tiempo y el espacio. La teoría A‐LT considera que los niveles óptimos de adaptación son resultado de la exposición pasada y actúan como puntos de referencia para las evaluaciones del medio ambiente (WOHLWILL 1974, Helson 1964). También los estudios de la naturaleza de la percepción y su relación con los estímulos ambientales, la memoria y la cognición, y los factores de contexto ofrecen puntos de vista en la comprensión de confort térmico en los edificios (de Dear 1991c et al, Helson 1971, Ittelson 1973, Auliciems 1981, Russell y Ward, 1982). La reacción de una persona a una temperatura que está fuera de los rangos de confort dependerá en gran medida de sus expectativas, personalidad, más que de lo que está haciendo en ese momento (McIntyre 1980). La adaptación psicológica podría desempeñar el papel más importante en la explicación de las diferencias entre los valores observados y previstos en las respuestas térmicas. Esto se aplica especialmente si consideramos distintos contextos ambientales, como lo son un laboratorio o una oficina, o cuando se comparan las respuestas de confort en edificios con aire acondicionado frente a los edificios naturalmente ventilados (Fishman y Pimbert 1982, Heijs y Stringer 1988, George W. Bush de 1990, de Dear 1991c et al, Rowe et al 1995, Oseland de 1995). Como conclusión debemos decir que en el modelo conceptual del confort adaptativo la adaptación, la expectativa y la habituación afectan directamente a nuestra sensación térmica y a las evaluaciones cognitivas de aceptabilidad térmica, tal como se describe en la fig. 9. Clima exterior Clima interior Ajustes Sensación Disconfort psicológicos térmica Disatisfacción Clima cultural Prácticas y normas, Expectativas y HVAC y arquitectura habituación Fig.9. Mecanismos de ajustes psicológicos Modelo conceptual de la adaptación Una premisa importante del modelo de adaptación es que el ocupante ya no es simplemente un receptor pasivo del ambiente térmico, tal como en el caso de un sujeto en la cámara climática experimental; es en cambio, un agente activo en interacción con todos los niveles del sistema persona‐medio ambiente a través de relaciones que se retroalimentan. Esta perspectiva complementa más que contradice al modelo "estático" de equilibrio anteriormente expuesto. El modelo de equilibrio térmico toma en cuenta parcialmente la adaptación utilizando como insumos los parámetros afectados por el ajuste y las intervenciones ambientales (vestimenta, actividad), pero excluye explícitamente cualquier noción de adaptación fisiológica y psicológica. En contraste, el modelo de adaptación se basa en una perspectiva fenomenológica que hace hincapié en cómo las personas interactúan con su medio ambiente y cambian; y representa las formas en que la experiencia pasada de una persona, los planes de futuro y las intenciones influyen en la propia percepción de un ambiente térmico (Canter 1983, Wohlwill 1974, Helson 1964, Veitch y Arkkelin de 1995, Kaplan y Kaplan, 1982). La hipótesis de adaptación indica que la satisfacción con el clima interior se consigue mediante una correspondencia adecuada entre las condiciones ambientales reinantes en ese momento en el tiempo y el espacio y sus expectativas térmicas. Es el resultado de una confluencia de experiencias térmicas actuales y pasadas, las prácticas culturales y técnicas (Auliciems 1981, 1989, De Dear 1993, Nicol 1993). Estas relaciones se vinculan en un esquema (Fig. 7) desarrollado por Auliciems (1981, 1989) que muestra que un determinado conjunto de condiciones ambientales interiores puede provocar diversos niveles de comodidad y la satisfacción de los ocupantes del edificio, en función de la cultura, condiciones climáticas, acondicionamiento mecánico (HVAC) y condicionantes arquitectónicas. Facultad de Arquitectura ‐ UR 13 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Ajustes de conducta y tecnológicos Prácticas y normas relacionadas al clima y la cultura Preferencia Expectativas Satisfacción de confort Afectación térmica Disconfort térmico Ajustes Sensación térmica ambientales Ambientes térmicos pasados Termo Regulación psicológica Cargas de calor / frío sobre el cuerpo (en ese momento) Fig.10. Relaciones con el ambiente (Auliciems 1981, 1989, De Dear 1993, Nicol 1993) Cualquier ambiente, ya sea interior o exterior, en que se desarrolle actividad humana ha de tener variabilidad temporal, al que nuestro organismo ha estado “acostumbrado”. La hipótesis de adaptación también implica que las temperaturas que las personas esperan en el interior para la comodidad y la satisfacción se moverán en la dirección de la “media‐promedio” de las condiciones encontradas en su día a día, tanto en el interior como en el exterior. Por ejemplo en un día de invierno o en uno de verano, según el esquema de la fig. 10, las acciones de las condiciones climáticas exteriores funcionan como una retroalimentación que provoca la percepción térmica de insatisfacción o malestar y por lo tanto de ajuste del sistema de termorregulación del comportamiento humano. El resultado neto es que los ocupantes del edificio pueden estar adaptados y perfectamente a gusto con temperaturas inferiores o superiores a las recomendadas en las normas (ASHRAE 55/1992, ISO 7730/1994). Creemos que el desarrollo de un modelo predictivo de adaptación de confort térmico debe combinar las características de la escuela estática y las teorías de adaptación y que estas relaciones se retroalimentan. Según lo establecido en los modelos, los edificios deberían presentar rangos más estrechos de confort. Pero debido a la posibilidad que disponen los ocupantes de variar las condiciones ambientales del local, los valores de temperatura aumentan la amplitud de los rangos de confort térmico. Se han desarrollado fórmulas, tablas y gráficas que permiten de un modo u otro hacer aproximaciones sobre las posibles condiciones de confort, si se tienen los parámetros y los factores involucrados. Según los modelos de confort adaptativo: Los parámetros del confort son aquellas variables que son decididas por el diseñador: Interiores: Temperatura del aire Temperatura radiante Humedad Relativa Velocidad del aire Adaptabilidad del espacio: Movilidad del ocupante dentro del espacio Modificación de elementos y dispositivos de control ambiental Facultad de Arquitectura ‐ UR 14 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Los factores son aquellas variables que no dependen del diseñador: Fisiológicos Sexo, Edad, Peso Tasa de Metabolismo (actividad) Estado de salud Intercambio de calor por ingestión de bebidas y alimentos Historial térmico Tiempo de permanencia Variabilidad temporal de los estímulos físicos ambientales Socioculturales y Psicológicos Tipo de vestimenta Expectativas de confort Contacto Visual con el Exterior Temperatura del aire Temperatura radiante de las superficies ambientales Humedad Relativa Parámetros Velocidad del aire Adaptabilidad del Movilidad del ocupante dentro del espacio espacio: Modificación de elementos y dispositivos de control ambiental Sexo Edad Peso Tasa de Metabolismo Fisiológicos Estado de salud Intercambio de calor por ingestión de bebidas y alimentos Factores Historial térmico Tiempo de permanencia Variabilidad temporal y estímulos físicos ambientales Tipo de vestimenta Socioculturales y Expectativas de confort Psicológicos Contacto Visual con el Exterior Fig. 11. Parámetros y factores de confort térmico según modelo adaptativo Técnicas para evaluar un ambiente térmico en la escuela ‘ADAPTATIVA’ de confort térmico Las investigaciones constan de un cuestionario de confort, con escalas de calificación administrada a los ocupantes del edificio y al mismo tiempo se registran los parámetros ambientales interiores. El más importante es la temperatura del aire. Estos estudios de campo para la adaptación suelen utilizar el método de escala de calificación (McIntyre, 1978), donde la respuesta de comodidad o bienestar es un voto que coincide con la categoría central de sensación térmica ("neutral", o "confortable"), ver Tabla 5. Esta temperatura central se conoce como “neutralidad de la muestra" y se designa aquí como Tn. Tabla 5.‐ Escalas utilizadas en la investigación sobre confort Escala ASHRAE Escala BEDFORD Aceptabilidad Preferencia (McIntyre) Caliente Demasiado cálido Inaceptable Quiere más fresco Cálido Muy cálido Levemente cálido Cálido confortable Neutral Confortable Aceptable Sin cambio Levemente fresco Fresco confortable Fresco Muy fresco Inaceptable Quiere más cálido Frío Demasiado fresco Facultad de Arquitectura ‐ UR 15 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Índice de temperatura de neutralidad térmica Los primeros trabajos de Humpreys (1978) sentaron las bases conceptuales para el posterior desarrollo de los modelos de adaptación: 1‐ temperatura de neutralidad, asumida como temperatura de confort que se obtiene de la correlación entre las respuestas dadas por las personas (respuestas subjetivas) y las mediciones de los parámetros ambientales (objetivos); 2‐ La dependencia encontrada a través del indicador “r” entre la temperatura de neutralidad y la temperatura media exterior. Numerosos estudios publicados en los últimos años muestran una fuerte dependencia estadística de las neutralidades térmica (Tn) con los niveles medios de la temperatura del aire interior (Ti). Tn = 2,56 + 0,83 Ti (r = 0,96) eq.1.1 (Humphreys) Humphreys (1975) lo atribuyó a los procesos de adaptación, concluyendo que "... la experiencia reciente es uno de los factores que contribuyen a la aceptabilidad del medio ambiente a que está expuesto el demandado." Humphreys (1978) encontró pruebas convincentes de la adaptación a las condiciones climáticas exteriores (fig. 12) – (relación estadística entre neutralidad térmica interior y las condiciones climáticas exteriores representada por la temperatura media mensual). Fig.12. Relación estadística entre neutralidad térmica interior y condición climática estacional Estudio de Auliciems La influencia del clima exterior sobre las neutralidades interiores es particularmente evidente en los resultados de los "edificios que no tenían ni calefacción ni refrigeración” (naturalmente ventilados o free running buildings). Las respuestas ‘ni frío ni calor’ (indoor neutralility ºC) de los usuarios de edificios no acondicionados están relacionadas a lo que pasa afuera. Como vemos en la fig. 12, los puntos verdes acostumbrados a temperaturas exteriores más bajas responden a temperaturas de neutralidad más bajas que los puntos verdes acostumbrados a temperaturas más altas. Esto daría como resultado rangos de confort diferenciales, de acuerdo a la adaptación a la condición climática en la que vive. Mientras que los puntos marrones (usuarios de edificios acondicionados artificialmente), responden a valores de temperatura neutra similares, con menor relación respecto a las temperaturas exteriores. Esto daría como resultado rangos de confort bastante similares para distintas condiciones climáticas. Según Auliciems (1981), en los edificios naturalmente ventilados estudiados se dio que: Tn = 0,48 Ti + 0,14 Tm + 9,22 (r = 0,95) eq.1.2 Tm = temperatura exterior media del mes considerado Mientras que los edificios con clima controlado (HVAC, calefacción, refrigeración y ventilación mecánica), tuvieron una menor correlación, pero todavía muy importante con la temperatura exterior media mensual (Tm), pero con una curva en lugar de una línea recta para lograr el mejor ajuste: Tn = 23,9 + 0.295 (Tm‐22) * exp (‐ ((TM‐22) / (24 * O2)) 2) (r = 0,72) eq.1.3 Facultad de Arquitectura ‐ UR 16 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Sin embargo estudios más recientes formulan otras varias hipótesis aparte de la habituación térmica y aclimatación, para explicar las respuestas de las personas en relación al confort. Por ejemplo, los ajustes que hace el propio individuo, reduciendo los niveles de ropa, metabolismo y humedad y aumentando la velocidad del aire en climas cálido húmedos. Según el modelo adaptativo se deben considerar también las evidencias de adaptación del comportamiento (personales y de adecuación ambiental) y las evidencias de adaptación psicológica (expectativas y contexto). Actualmente la normativa internacional ha tratado de conciliar los dos modelos. Es así como se ha adoptado el modelo adaptativo en la norma ASHRAE 55:2004. El modelo adaptativo, es presentado en esta norma y reconoce que los usuarios pueden controlar algunas condiciones del espacio y que puede preferir una más amplia gama de temperaturas, reconociendo el efecto de aclimatación y adaptación a la variación de condiciones climáticas exteriores. 3. Rangos de confort térmico para Montevideo y Salto En nuestro país, a partir de estudios de campo desarrollados por el Departamento de Clima y Confort en Arquitectura (DECCA‐IC‐farq) en Salto y Montevideo, se proponen rangos de confort (período caluroso y período frío). Tabla 5.‐ Escalas utilizadas en la investigación sobre confort Rangos de confort (según DECCA) Rangos de confort (según ASHRAE) Período frío Período caluroso Período frío Período caluroso MONTEVIDEO 18 a 22/24 ºC 22 a 26/27 ºC 18.5 a 23.8ºC 22.3 a 27.2ºC SALTO 18 a 22/24 ºC 22 a 27/28 ºC 19.5 a 24ºC 23.8 a 28.5 Si aplicamos la metodología de la norma ASHRAE 55:2004 para determinar estos rangos resultarían los valores de la gráfica de la Fig.13, tomando como condición que el 90% de las personas estaría en confort (límite de aceptabilidad para el 90% de las personas). Para el caso de Montevideo, tomando la media mensual del mes de julio (10.5ºC), representativo del período frío, el rango de confort sería de 18.5 a 23.8ºC; tomando la media del mes de enero (22.5ºC), representativo del período caluroso, el rango de confort sería 22.3 a 27.2ºC. Para el caso de Salto, tomando la media mensual del mes de julio (12.6ºC), representativo del período frío, el rango de confort sería de 19.5 a 24ºC; tomando la media del mes de enero (26.2ºC), representativo del período caluroso, el rango de confort sería 23.8 a 28.5ºC. Fig.13. Rangos de temperatura operativa aceptable para edificios naturalmente acondicionados (modelo confort adaptativo) Facultad de Arquitectura ‐ UR 17 Acondicionamiento Térmico CONFORT TÉRMICO Si comparamos ambos conjuntos de rangos, vemos que existe razonable coincidencia para Montevideo en ambos períodos y para Salto en el caluroso. A los efectos de discutir el rango de confort para período frío en Salto es necesario realizar estudios de campo más extensos. 4. Referencias bibliográficas: ASHRAE. 1981 Standard 55 ‐ Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. Atlanta: ASHRAE ASHRAE. 1992 Standard 55 ‐ Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. Atlanta: ASHRAE Inc. Auliciems, A. 1969. “Effects of weather on indoor thermal comfort.” International Journal of Biometerorology, Vol. 13, pp. 147‐162. Auliciems, A. 1981. “Towards a psychophysiological model of thermal perception.” Int J Biometeorology, Vol.25, pp.109‐122. Auliciems, A. 1981b. “Global differences in indoor thermal requirements.” Presented to the ANZAAS Symposium M2, Brisbane, 11 May 1981. Auliciems, A. 1983. “Psychophysical criteria for global thermal zones of building design.” Biometeorology, No.8, Part 2, Supplement to Vol. 26 (1982), International Journal of Biometeorology, pp. 69‐86. Auliciems, A. 1986. “Air conditioning in Australia III: Thermobile controls.” Arch. Science Review, Vol. 33, pp. 43‐ 48. Auliciems, A. 1989. “Thermal Comfort.” In Building Design and Human Performance. Ed: Ruck, N. New York: Van Nostrand. pp.71‐88.Markus and Morris. Building, Climate and Energy, 1980 de Dear, R.J. and Auliciems, A. 1985. “Validation of the Predicted Mean Vote model of thermal comfort in six Australian field studies.” ASHRAE Trans., Vol. 91, No. 2, pp.452‐468. de Dear, R.J. 1985. Perceptual and adaptational bases for the management of indoor climate. University of Queensland Ph.D thesis. de Dear, R.J. and Auliciems, A. 1986. “Air conditioning in Australia II: User attitudes.” Arch. Science Review, Vol. 31, pp. 19‐27. de Dear, R.J.; Knudsen, H.N.; and Fanger, P.O. 1989. "Impact of air humidity on thermal comfort during step‐ changes”. ASHRAE Transactions, Vol.95, No. 2, pp.336‐350. de Dear, R.J.; Leow, K.G.; and Ameen, A. 1991a. "Thermal comfort in the humid tropics ‐‐ Part I: Climate chamber experiments on temperature preferences in Singapore." ASHRAE Transactions, Vol. 97, No. 1, pp.874‐ 879. de Dear, R.J., Leow, K.G. and Ameen, A. 1991b. "Thermal comfort in the equatorial climatic zone ‐‐ Part II: Climate chamber experiments on thermal acceptability in Singapore ". ASHRAE Transactions, Vol. 97, No. 1, pp.880‐886. de Dear, R.J., Leow, K.G. and Foo, S. C. 1991c. "Thermal comfort in the humid tropics: Field experiments in air conditioned and naturally ventilated buildings in Singapore." International Journal of Biometeorology, Vol. 34, pp.259‐265. Autores varios de la cátedra de Acondicionamiento Térmico. “Guión 1 de Acondicionamiento Térmico”. Oficina del libro del CEDA, Facultad de Arquitectura UDELAR. i G. Brager, R. de Dear: ‘Thermal adaptation in the built environment: a literature review’, Energy and Buildings 27 (1998) ii G. Brager, R. de Dear, D. Cooper: ‘Developing an adaptive model of thermal comfort and preference’, Final Report ASHRAE RP‐884 (1997). Facultad de Arquitectura ‐ UR 18