1.4 S OSTENIBILIDAD ENERGÉTICA
1.4.5 Confort térmico
1.4.5.3 Factor interior
Parámetros personales. Adaptación del cuerpo humano a su ambiente
El hombre obtiene su energía de las calorías que le proporcionan los alimentos. Una vez consumidos se transforman en otras formas de energía o se acumulan en otros elementos
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más simples, como grasas o hidratos de carbono. Las formas de energía en las que se transforma son la energía mecánica, eléctrica o el calor. El cuerpo humano “quema” alimento y genera calor residual, similar a cualquier máquina. Para mantener su interior a una temperatura de 37°C, tiene que disipar el calor y lo hace por medio de conducción, convección, radiación y evaporación. En la medida como se acerca la temperatura ambiental a la temperatura corporal, el cuerpo ya no puede transmitir calor por falta de un gradiente térmico, y la evaporación queda como única forma de enfriamiento. El bienestar higrotérmico se establece cuando el cuerpo pierde calor a la velocidad adecuada; una mayor velocidad implica sensación de frío y una menor velocidad, sensación de calor. A esa velocidad se equilibran todos los intercambios energéticos que se originan en el hombre. El ritmo al que pierde calor el organismo se denomina velocidad o actividad del metabolismo (M). (González F. J., 2004)
Figura_ 36: Adaptación del cuerpo humano a su ambiente Fuente y Elaboración: (González F. J., 2004)
Metabolismo y bienestar
Para cuantificar la actividad metabólica se creó una magnitud denominada met, que corresponde a una dispersión de 50 kcal/h por metro cuadro de superficie corporal (58,2 W/m2). Aplicado a una superficie corporal estándar se puede redondear esta cifra en 100 W cada met.
La velocidad de dispersión de energía metabólica hacia el ambiente exterior es variable y en función de diversos factores. El fundamental es el oxígeno, ya que actuará de comburente en la producción de calor. Dado que el ritmo de consumo de oxígeno no es constante, sino variable en función de la actividad, ésta será el parámetro de cuantificación.
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El menor ritmo de transferencia de calor de origen metabólico que se establece entre el organismo y el entorno es el denominado metabolismo basal17, y tienen un valor estándar de
44 W/m2 (79 W) en hombres y de 41 W/m2 (65 W) en mujeres18, corresponde a un estado de
reposo absoluto.
Para actividades diferentes es preciso proceder a su cuantificación. Su resultado depende del método que se emplee:
1. Evaluación según el grado de actividad 2. Evaluación según el tipo de ocupación 3. Medición directa
Tabla_ 23: Velocidad del metabolismo según la actividad ACTIVIDAD
VELOCIDAD DEL METABOLISMO
(W/m2) (W) (met)
00.Nula Metabolismo basal 41/44 65/79 0,65/0,79
0.Mínima Descansando 65 115 1,15
1.Baja Actividad manual sentado. Ligeros
desplazamientos (<1,0 m/s). 100 180 1,80
2.Media Trabajos con brazos y piernas.
Desplazamientos a velocidad moderada (1,0- 1,5 m/s).
165 295 2,95
3.Alta Trabajos intensos. Desplazamientos rápidos
(1,5-2,0 m/s). 230 415 4,15
4.Muy Alta Trabajos muy intensos. Desplazamientos
corriendo (>2,0 m/s). 290 520 5,20
Fuente: (González F. J., 2004) Elaboración: El Autor
Tabla_ 24: Velocidad del metabolismo según la ocupación (Sumando adicional dependiente de la parte del cuerpo empleada).
PARTE DEL CUERPO EMPLEDA EN LA REALIZACIÓN DEL TRABAJO
SUMANDO ADICIONAL (W/m2)
Medio Rango
Trabajo realzado con las manos Ligero 15 <20
Medio 30 20…35
Pesado 40 >35
Ligero 35 <45
17 Metabolismo basal: Es el gasto energético en estado de reposo absoluto.
18 La superficie de un cuerpo desnudo se puede calcular con la expresión de DuBois. = 0,202. , . ℎ , . El resultado estándar es de 1,8 m2 en hombre y 1,6 m2 en mujeres. Estos valores corresponden a un hombre de 1,70 m de altura, 70 kg de peso y 35 años de edad, y a una mujer de 1,60 m de altura, 60 kg de peso y 35 años de edad.
78 Trabajo para el que sólo se precisa el empleo de un
brazo Medio Pesado 55 75 45…65 >65
Trabajo para el que es imprescindible el uso de
ambos brazos Ligero Medio 65 85 <75 75…95
Pesado 105 >95
Trabajo para el que se precisa el uso de todo el
cuerpo. Ligero Medio 125 190 <155 155…230
Pesado 280 230…330
Muy pesado 390 >330
Fuente: (González F. J., 2004) Elaboración: El Autor
Tabla_ 25: velocidad del metabolismo según la ocupación (Sumando adicional dependiente de la posición estática del cuerpo).
POSICIÓN ESTÁTICA DEL
CUERPO SUMANDO ADICIONAL (W/m2)
Sentado 10 Arrodillado 20 Agachado 20 De pie 25 De pie inclinado 30 Fuente: (González F. J., 2004) Elaboración: El Autor
Tabla_ 26: Velocidad del metabolismo según la ocupación (Sumando adicional dependiente del tipo y velocidad del movimiento).
TIPOS DE MOVIMIENTO DEL CUERPO (para velocidades entre 0,9 y 1,1 m/s)
SUMANDO ADICIONAL (W/m2)
Caminando en plano horizontal 110
Ascendiendo en plano inclinado Inclinación de 5º 210
Inclinación de 10º 360
Descendiendo en plano inclinado Inclinación de 5º 85
Inclinación de 10º 70
Caminando con carga 10 kg 140
30 kg 205
50 kg 315
Fuente: (González F. J., 2004) Elaboración: El Autor
Influencia de la vestimenta
Otro factor personal importante es el arropamiento del individuo, ya que la sensación de calor se da en función de la vestimenta, que es medida con coeficientes de transmisión térmica. La
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unidad aplicada al arropamiento es el clo (clothing), que se ha traducido transformándolo en el ropa. Un clo equivale a una resistencia térmica de 0,15 m2. »C/W.
Considerando que generalmente se trabaja con grupos de personas no uniformadas y con ropaje no homogéneo, el arropamiento puede resultar difícil de precisar, y muchas veces resulta conveniente agrupar sus valores en niveles más simples:
Tabla_ 27: Niveles de influencia de vestimenta. método de homogeneización.
Niveles Medio Rango
Nivel 0 Desnudos (0 clo) (0…0,3 clo) Nivel 1 Ropa Ligera (0,5 clo) (0,3…0,7 clo) Nivel 2 Ropa Media (1,0 clo) (0,7…1,3 clo) Nivel 3 Ropa Pesada (1,5 clo) (más de 1,3 clo) Fuente: (González F. J., 2004)
Elaboración: El Autor
El empleo de estos niveles se denomina Método de la Homogeneización. Los saltos de nivel están cuantificados por una cantidad fija de 3 a 3,5 ºC. Es decir, si se pasa a un nivel más alto, la temperatura efectiva se eleva 3 ºC y, si se baja a otro nivel inferior, se reduce la sensación también en 3 ºC. De forma inversa, cuando se están diseñando las condiciones de bienestar de un local, los cambios de arropamiento también se tendrán en cuenta, pero con signo cambiado.
Si es necesario conocer el valor concreto del arropamiento de una persona se considera el
Método de las prendas, este método servirá para personalizar el efecto del arropamiento, o
para precisar el nivel en que debe situarse.
Tabla_ 28: Niveles de influencia de vestimenta. método de las prendas. TIPO DE PRENDA AISLAMIENTO TÉRMICO
(clo según ISO 7730) ROPA INTERIOR
Bragas/Calzoncillos 0,03
Calzoncillos largos 0,10
Camiseta de tirantes 0,04
Camiseta de mangas cortas 0,09
Camiseta de mangas largas 0,12
Bragas y sujetador 0,03
Calcetines normales 0,02
Calcetines largos y gruesos 0,10
Medias de nylon 0,03
CAMISAS Y BLUSAS
De manga corta 0,15
Ligera, con manga larga 0,20
Normal, con manga larga 0,25
80 PANTALONES Cortos 0,06 Ligeros 0,20 Normales 0,25 Gruesos 0,28 Mono de trabajo 0,55 FALDAS Ligera, de verano 0,15 Gruesa, de invierno 0,25 VESTIDOS
Ligero, con manga corta 0,20
Grueso, con manga larga 0,40
JERSEYS
Sin mangas, tipo chaleco 0,12
Jersey fino 0,20 Jersey normal 0,28 Jersey grueso 0,35 CHAQUETAS Ligera, de verano 0,25 Normal 0,28 Bata 0,30 ROPA AISLANTE Mono de trabajo 0,90 Pantalones 0,35 Chaqueta 0,40 Vestido 0,20
ROPA PARA EXTERIOR
Abrigo 0,60
Chaquetón 0,55
Zamarra 0,70
CALZADO Y GUANTES
Zapatos de suela fina 0,02
Zapatos de suela gruesa 0,04
Botas 0,10
Guantes 0,05
Fuente: (González F. J., 2004) Elaboración: El Autor
Los últimos parámetros personales que intervienen en la definición del bienestar son la edad y el sexo; su influencia es muy pequeña, la cuantificación de su efecto difícil y su aplicación dudosa. Se considera de forma generalizada que las mujeres prefieren ambientes ligeramente más cálidos que los hombres, del orden de 0,5 ºC más.
Materiales de construcción
El 50 % de todos los recursos mundiales se destinan para la construcción. Los materiales de construcción son materia prima o con más frecuencia productos manufacturados empleados para definir lo que se conoce como la estructura y piel de un edificio. Conocida también como la envolvente del edifico.
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Elementos de vital importancia para el ahorro energético. Algunos autores hablan de la vivienda como una tercera piel, al igual que la ropa que es la segunda. Debe ser capaz de transpirar y también de la misma manera que la epidermis, debe protegernos pero sin aislarnos en ningún momento del exterior. Cuanto más sana sea la tercera piel, mejor aire respiraremos dentro del hogar. (Arquitectura sostenible. Volumen 1, 2014)
Envolvente
La envolvente dentro de los distintos sistemas constructivos, juega el papel más importante en el diseño sostenible o arquitectura bioclimática por su condición de filtro entre el ambiente exterior y el interior, delimitando el espacio habitable. En este sistema constructivo se generan la mayoría del intercambio de energía que genera el edificio con el medio ambiente, y a su vez puede tener funciones como elemento de recolección de las aguas de lluvia, producción de energía renovable, control de la iluminación y ventilación natural, entre otras.
La envolvente por su condición de fachada tiene un trato estético compositivo que caracteriza la imagen del edificio, sin embargo no debe ser el resultado de un diseño decorativo, sino más bien el resultado de una amplia investigación en términos de funcionamiento.
Figura_ 37: Esquema de envolvente térmica de un edificio Fuente y Elaboración: (González F. J., 2004)
Figura_ 38: Esquema simplificado de la envolvente Fuente y Elaboración: (González F. J., 2004)
82 Intercambio de Energía
La capacidad que tiene una envolvente para controlar el intercambio de energía se llama Protección Térmica, definiéndose como la habilidad para tratar de evitar que las influencias negativas por una disminución calorífica excesiva o una aportación exagerada de calor afecte el confort del usuario o las instalaciones. (Heinrich Schmitt, 2009)
Este intercambio físico se da cuando dos cuerpos tienen contacto y se encuentran a diferentes temperaturas, por lo tanto estos cuerpos tratan de equilibrar las temperaturas transfiriéndose calor entre sí. Este proceso no se puede evitar del todo, pero si se puede modificar la intensidad y la duración del mismo.
Tomando en consideración la forma en que se intercambia energía en un edificio, podemos pensar que los sistemas constructivos que modifican tanto la intensidad como la duración de este intercambio son los que se basan en tres aspectos: el aislamiento térmico, la inercia térmica y el control de la radiación solar.
Figura_ 39: Intercambio de energía Fuente y Elaboración: Disponible en:
https://beyondsustainable.net/2013/01/17/la-envolvente-como-estrategia-de- diseno-sostenible/
El Aislamiento Térmico: Uso de materiales con una elevada resistencia térmica, para reducir el flujo de energía a través de los cerramientos en los que se incorpora. Las propiedades de estos materiales dependen de su tipo.
Para el aislante lo importa en términos de intercambio es el nivel de transmitancia térmico que tenga el mismo, ya que esto es lo que controla el intercambio de calor entre el interior y el exterior. Este tipo de envolvente depende de la conductividad del material y del espesor del mismo, la relación entre estos dos parámetros es la resistencia térmica del material. Por lo tanto, es lo que retrasa el intercambio de energía entre el interior y el exterior.
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Este tipo de sistema constructivo tiene que ser multicapa, y puede ser vidriada u opaca, dependiendo del tipo de material de aislamiento que se use. Las envolventes que usan aislamiento para que cumplan con parámetros térmicos tienen que cumplir con las siguientes funciones:
Minimizar el intercambio de energía, reteniendo la energía del interior del edificio, evitando que haya intercambio
Controlar las temperaturas superficiales de los cerramientos, impidiendo la condensación y evitar elevadas temperaturas radiantes interiores
Utilizar materiales con elevada resistencia térmica
Para tener mayor eficiencia, en la solución del sistema constructivo el aislamiento
térmico debe de estar ubicada hacia el exterior de la envolvente, para de esta manera tener mayor contacto con el ambiente exterior y retrasar más el intercambio
Figura_ 40: Aislamiento térmico Fuente y Elaboración: Disponible en:
https://beyondsustainable.net/2013/01/17/la-envolvente-como-estrategia-de- diseno-sostenible/
Inercia Térmica: La inercia térmica en los materiales es la propiedad que indica la cantidad de calor que puede almacenar un cuerpo y la velocidad con la que cede o absorbe calor del entorno. Depende del calor específico, la densidad, el espesor y la conductividad térmica del material.
Los materiales que tienen una elevada inercia térmica generalmente son materiales pesados (con gran cantidad de masa térmica) que tienen la capacidad de absorber la energía calórica, almacenarla y distribuirla gradualmente en el espacio interior. En el estudio y utilización de estos sistemas hay que tomar en cuenta los efectos de retraso y de amortiguamiento térmico que tienen los materiales.
El retraso térmico hace referencia al tiempo que tarda en pasar el calor a través de una capa de material. Es decir, el tiempo transcurrido entre los momentos en que se dan las temperaturas máximas en cada uno de las superficies del material, y mientras mayor espesor,
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mayor capacidad térmica y menos conductividad, más tiempo requerirá la energía calórica para atravesarlo (Paricio, 1985)
El amortiguamiento térmico mide la reducción de temperatura constante de una superficie (generalmente la interior) respecto a la temperatura constante de la superficie contraria. El factor de amortiguamiento es la relación entre la oscilación de la temperatura de la superficie exterior y la oscilación de temperaturas de la superficie interior del cerramiento. (González Josep, 1996)
El uso más apropiado de este tipo de envolvente es en climas donde las oscilaciones de temperatura durante el día y la noche son muy significativas, para de esta manera trabajar con la inercia térmica, absorbiendo el calor durante el día y liberarlo durante la noche. Por otro lado, en climas cálidos los materiales con elevada inercia pueden llegar a tener efectos perjudiciales.
Estos sistemas de envolventes tienden a tener tipologías unicapa, trabajando sólo con los parámetros del material con inercia requiriendo tener una sección grande de este material. Pero se pueden encontrar en sistemas multicapa cuando se acompañan de materiales aislantes térmicos para de esta manera reducir el tamaño de la sección del material inerte.
Figura_ 41: Inercia térmica
Fuente y Elaboración: Disponible en: https://beyondsustainable.net/2013/01/17/la-envolvente- como-estrategia-de-diseno-sostenible/
Control de la Radiación Solar: Los sistemas de envolventes no sólo tienen que contrarrestar las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior, sino también tienen que controlar el nivel de exposición del edificio a los efectos de la radiación solar, ya que está por consecuencia, se transforma en flujos de calor que generan ganancias térmicas adicionales sobre el edificio (Paricio, La Protección Solar, 1997)
Los efectos de ganancias térmicas por medio de la radiación solar, dependen del tipo de radiación solar, con respecto a la ubicación geográfica, latitud, longitud, altitud, clima, orientación del edificio y posición solar.
De los tipos de radiación la que tenemos que tomar más en cuenta es la radiación solar incidente, la cual se mide en W/m2 y depende de la época del año y del grado de inclinación de la superficie receptora. Cuanto más perpendicular es la radiación solar a la superficie,
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mayor es la captación de energía transmitida al interior del edificio. Esta información también depende de la ubicación geográfica y la época del año, y puede ser consultada en tablas de radiación solar, que comparten los promedios mensuales de radicación de una locación en particular.
Figura_ 42: Control de la radiación solar
Fuente y Elaboración: Disponible en: https://beyondsustainable.net/2013/01/17/la-envolvente-como-estrategia- de-diseno-sostenible/
Características térmicas de los materiales
Los materiales tienen diversas características, entre ellas la capacidad de transmitir calor a través de su masa, lo que se denomina Conductividad Térmica (ɤ, lambda). Mientras la conductividad de un material sea menor mejor será su capacidad de aislamiento. Su magnitud inversa es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso de calor.
La transmitancia térmica “U” se define como el flujo de calor que pasa a través de un metro cuadrado de pared. Envolvente térmica de un edificio y depende de la forma del mismo y de todo lo que separa el interior del exterior: paredes, ventanas, cubiertas, forjado sanitario, forjado sobre espacios abiertos, etc.
ɤ Se refiere al material y es específica del mismo, la Um se refiere a la pared y depende de todo lo que la constituye y la “U” se refiere al edificio en su conjunto.
Coeficientes:
Coeficiente de Conductividad Térmica ɤ(lambda): Es una característica propia de
cada material, cuando menor sea ɤ significa que deja pasar menos calor, por lo tanto es mejor aislante. Se expresa en (W/Mk).
Resistividad térmica: Es la inversa de ɤ, se expresa en (mK/W).
Resistencia Térmica: Es el inverso de la conductancia térmica. Se calcula: R=L/ ɤ;
donde L es el espesor de la muestra expresado en metros. Se expresa (m2K/W).
Coeficiente de transmisión del calor, U: Es el flujo de calor que pasa por m2 de una
cara de un cerramiento a la otra cuando hay diferencia de 1 ºC entre sus caras. Se expresa en (W/m2K).
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Envolvente térmica de un edificio, U: Es la medida ponderada de los coeficientes U
de los cerramientos que envuelven un edificio. Se expresa en (W/m2K). Tabla_ 29: Características térmicas de los materiales de construcción
Fuente y Elaboración: Fernando Tudela, Ecodiseño; Edward Mazria, Manual de Arquitectura Solar; Manuel Martín Monroy.
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Para lograr cubrir las necesidades de la eficiencia energética se deben considerar en todo diseño arquitectónico ciertos aspectos: materiales, energías renovables y tecnologías para conseguir ahorro energético y su consecuente preservación medioambiental. (García, 2000, pág. 1)
El ahorro energético se lo puede conseguir mediante técnicas pasivas enmarcadas en la arquitectura o diseño bioclimático. Se puede lograr arquitectura sostenible con viviendas bioclimáticas, ya que aprovechan las condiciones naturales para disminuir en todo lo posible las necesidades energéticas.