Confort térmico estival y ventiladores de techo: ¿se puede cuantificar nuestra sensación térmica?

Desde el Antiguo Egipto, los sirvientes de los faraones atemperaban el calor y garantizaban el confort de sus señores agitando el aire con grandes abanicos, los flabelos[i].

Hacia el año 500 a. C., fueron los indios quienes inventaron los primeros ventiladores de techo, concebidos originalmente con alas de ave.
Hubo que esperar hasta 1882 y al inventor estadounidense Philip Diehl para disponer por fin de ventiladores de techo eléctricos.

Tras esta invención, durante mucho tiempo la cuestión del ahorro energético siguió siendo un tema secundario. Mientras hubiera movimiento de aire y se percibiera una mejora del confort, el consumo eléctrico importaba poco.
Poco a poco, los techos de los edificios situados en zonas tropicales y ecuatoriales se fueron llenando de ventiladores de techo. Sin embargo, las zonas templadas continuaron durante mucho tiempo prefiriendo la climatización.

Los precursores de la objetivación del confort de verano: Guía Woods y Givoni

Sin embargo, arquitectos e ingenieros se interesaron muy pronto por la utilidad de los ventiladores de techo, incluso en zonas templadas.

Ya en 1952, dos autores anglosajones, W. C. Osborne y C. G. Turner, publicaron una guía de referencia, el « Woods Practical Guide to Fan Engineering » (Guía práctica de ventilación Woods[ii]), que relaciona, mediante una fórmula sencilla y operativa, la velocidad del aire con la temperatura percibida.

El diagrama siguiente procede de estos trabajos y se aplica al periodo estival en condiciones medias de humedad y de vestimenta:

Este es el resultado obtenido:

Figura 1 – diagrama procedente de la Guía de Ventilación Woods

Es importante señalar que la cuestión de la humedad relativa no es necesariamente crucial, salvo algunas excepciones, en las zonas templadas. De hecho, en estas franjas climáticas, el grado de humedad se mantiene globalmente relativamente bajo durante la temporada de verano.

No obstante, es el famoso diagrama bioclimático del arquitecto Baruch Givoni el que, desde mediados de la década de 1970[iii], alcanza cierta popularidad entre los diseñadores de edificios. Este gráfico muestra que las zonas de confort estival se amplían a medida que aumenta la velocidad del aire.

Desde el primer choque petrolero, el ahorro energético se convierte en un tema de gran interés. El bioclimatismo sale de su aislamiento y deja de estar reservado únicamente a activistas.

En los años 2000, el estudio Tribu creó una versión muy explícita del diagrama de Givoni, más centrada en la velocidad del aire. Es una herramienta que permite facilitar un diálogo muy constructivo con los promotores, y que además está integrada en algunos softwares de simulación térmica dinámica (STD).

Figura 3: el diagrama de Givoni revisado por Tribu

El método PMV/PPD: no todos somos iguales frente al calor

Los enfoques anteriores tienen el mérito de ser claros. Sin embargo, les falta una dimensión esencial.

No todos reaccionamos de la misma manera frente al calor. Hombres, mujeres, delgados, corpulentos, jóvenes, mayores; nuestras características personales, físicas, culturales o psicológicas juegan un papel en nuestra percepción del calor y del malestar.

Teniendo en cuenta esta realidad, surge un nuevo enfoque en los años 1970, basado en técnicas de encuesta: el modelo de Fanger o PMV/PPD.

Este enfoque se desarrolló originalmente con un objetivo de rendimiento laboral: si los empleados tienen demasiado calor, pierden productividad.

Este modelo no busca obtener un 100% de satisfacción, sino minimizar el número de personas insatisfechas. Por lo tanto, se busca un índice de insatisfacción inferior al 10%.

Se relacionan dos valores:

• PMV (Predicted Mean Vote, o Voto Medio Predicho), que simula el valor promedio de los votos de un gran grupo de personas [v] en una escala de sensación térmica de 7 niveles que va de +3 (muy calor) a -3 (muy frío). Este índice se basa en la ecuación del balance térmico humano. Integra, entre otros, el metabolismo, la vestimenta, la temperatura del aire, la radiación térmica, la velocidad del aire…
• PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied, o Porcentaje Predicho de Insatisfechos) predice cuantitativamente el porcentaje de personas insatisfechas, ya que encuentran el ambiente térmico demasiado caliente o demasiado frío y votarían +3, +2, -2, -3…

Figura 4: ejemplo de diagrama PMV/PPD

La relación entre PMV y PPD prevé un mínimo del 5 % de insatisfechos para un voto igual a 0 (sensación neutra). En efecto, en cualquier configuración siempre habrá personas insatisfechas.

El nivel de insatisfacción aumenta naturalmente si el PMV se desplaza hacia el frío o hacia el calor.

Para lograr una situación de confort térmico global, se recomienda que el porcentaje previsto de insatisfechos (PPD) se mantenga por debajo del 10 %, lo que corresponde a un voto medio previsible comprendido entre -0,5 y +0,5.

En el diseño de edificios reales, no se realiza una votación entre el personal. Es la norma ISO 7730[vi] la que incluye las variables que permiten determinar las condiciones de confort, y en particular: temperatura, velocidad del aire, humedad relativa, metabolismo (intensidad de la actividad física), tipo de vestimenta… Introduciendo estos valores, la norma permite calcular los valores de PMV y PPD.

Así, la sensación térmica queda ahora cuantificada.

El método adaptativo: nuestro cuerpo se adapta al calor

Más allá de nuestra propia reacción al calor, nuestro cuerpo tiene una capacidad de adaptación. Un aumento o descenso brusco de la temperatura es difícil de soportar para el cuerpo humano. En cambio, un incremento gradual de la temperatura se acepta mejor.

Este hecho dio lugar al método adaptativo, que también se utiliza en la mayoría de normas reconocidas a nivel internacional. Tiene en cuenta las variaciones de las condiciones climáticas durante un período de 7 días consecutivos.

El método adaptativo se distingue por su carácter dinámico, mientras que el método PMV/PPD se caracteriza por un enfoque estático.

Es el método adaptativo el que se ha elegido para la RE2020. De hecho, el motor RE2020 realiza un cálculo energético dinámico que permite tener en cuenta la adaptación progresiva del cuerpo humano a las olas de calor.

¿Qué herramienta usar hoy para estimar el confort térmico?

“La perfección es un camino, no un destino”, dice un proverbio coreano.

En este camino[vii], disponemos de una herramienta particularmente ergonómica y pertinente: la desarrollada por el Centro para el Entorno Construido de la Universidad de Berkeley en California.

Esta herramienta tiene una doble ventaja: permite visualizar las zonas de confort según la norma más relevante hasta la fecha, la norma estadounidense ASHRAE 55-2020, por un lado, y la norma vigente en la UE, la norma EN-16798.

Con un número muy razonable de parámetros de entrada, se obtiene una representación muy elaborada del confort de verano[viii].

¿Cómo usar la norma estadounidense ASHRAE-55?

Al acceder al sitio de Berkeley, se entra directamente en la pestaña ASHRAE-55. Solo queda ingresar los datos de entrada.

Figura 5: simulación de confort veraniego con la herramienta CBE – basada en ASHRAE-55 – método PMV

Ahora revisemos los parámetros para ASHRAE-55[ix].

• Método: hay dos enfoques posibles, el método PMV y el método adaptativo. El método PMV es adecuado para edificios climatizados[x] (con uso complementario de ventiladores de techo). Este método estático funciona bien en una atmósfera constante, donde las condiciones de temperatura y humedad permanecen estables. Por su parte, el método adaptativo, dinámico, permite tener en cuenta la adaptación del cuerpo a la temperatura; debe ser preferido para espacios no climatizados.
• Temperatura de operación: también llamada temperatura operativa, propone un promedio entre la temperatura del aire y la temperatura de las superficies. Cabe destacar que superficies mal aisladas pueden irradiar calor (por ejemplo, una pared expuesta al oeste por la tarde), generando incomodidad. Además, los ventiladores de techo con amplia zona de influencia tendrán un efecto positivo al equilibrar la temperatura del aire y de las superficies. El valor a ingresar corresponde a su temperatura objetivo.
• Velocidad del aire: el valor debe ingresarse en m/s. Puede usar la velocidad promedio en la habitación o la velocidad promedio del aire alcanzada en la zona de ocupación.
• Humedad relativa: en verano, generalmente se puede dejar en 50%.
• Tasa metabólica: para situaciones de ocupación en vivienda o en oficinas, un valor de 1,0 generalmente es adecuado. Cabe señalar que situaciones de metabolismo reducido (posición acostada, sueño) pueden calcularse, pero quedan fuera del alcance de la norma.
• Nivel de vestimenta: en EE. UU., con frecuencia se usan trajes de verano tipo tres piezas con mangas largas y aire acondicionado a 19 °C. En Europa, afortunadamente, es más común vestirse más ligero (0,36–0,57).
• Modo de cálculo: recomendamos “Psicométrico (temperatura operativa)”

Figura 6: simulación de confort veraniego con la herramienta CBE – basada en ASHRAE-55 – método adaptativo

Siempre para ASHRAE-55, aquí están los elementos a considerar con el método adaptativo, recordando que este está pensado para entornos sin aire acondicionado:

• Temperatura de operación: generalmente se elige la temperatura operativa.
• Temperatura exterior media dominante: salvo que se disponga de sistemas tipo enfriamiento adiabático[xi], parece lógico tomar como base la misma temperatura que la de operación.

Velocidad del aire: este es el punto débil del método adaptativo, que es menos preciso que el método PMV. Se pueden usar 4 valores en m/s: 0,3; 0,6; 0,9 y 1,2. Cabe señalar que es bastante raro lograr una velocidad promedio de 1,2 m/s en todo el cuerpo con un ventilador de techo.

Cómo utilizar la norma europea EN-16 798

En el mismo sitio web, basta con cambiar de pestaña.

Figura 7: simulación de confort estival con la herramienta CBE – basada en EN 16798 – método PMV

Los parámetros a ingresar son exactamente los mismos que para ASHRAE-55, usando el método PMV. Solo hay que marcar la casilla: «usar la temperatura operativa».

Gráficamente, mientras que con ASHRAE-55 se obtiene una amplia zona azul, la aplicación de la norma europea se traduce en varias bandas verdes paralelas, siendo la banda de color verde oscuro la zona de confort óptimo. Cabe destacar que, ante temperaturas elevadas (≥ 30°C), es necesario optar por vestimenta ligera de verano antes de intentar aumentar la velocidad del aire.

Como se observa en el gráfico anterior, es mucho más fácil salirse del marco de la norma EN 16798 que del de ASHRAE-55.

Figura 8: simulación de confort estival con la herramienta CBE – base EN 16798 – método Adaptativo

Finalmente, en el método adaptativo según la norma EN 16798, estos son los elementos a tener en cuenta, recordando que está adaptado a espacios sin climatización:

• Temperatura de funcionamiento: generalmente se utiliza la temperatura operativa.
• Temperatura exterior media predominante: salvo que se disponga de sistemas tipo enfriamiento adiabático, parece lógico tomar la misma base que la temperatura de funcionamiento.
• Velocidad del aire: la gama de opciones es aún más limitada que en ASHRAE-55, ya que no existe el valor de 0,3 m/s, sino solo un valor “inferior a 0,6 m/s”. Luego se encuentran los mismos incrementos de 0,3 m/s, incluido el de 1,2 m/s, que parece difícil de alcanzar en promedio sobre todo el cuerpo en la práctica.

¿Para qué cuantificar la sensación térmica?

Tal cuantificación ha sido posible desde mediados del siglo pasado, aunque hoy en día sigue avanzando.

Hay que reconocer la calidad de la interfaz desarrollada por la Universidad de Berkeley, que permite un uso bastante cómodo de una herramienta basada en los conocimientos fisiológicos y psicológicos más recientes[xii].

Con estos elementos, los diseñadores disponen de un componente esencial para dimensionar correctamente los ventiladores de techo y satisfacer mejor a los ocupantes de los espacios que los disfrutan.

[i] Los flabellums se convierten progresivamente en un símbolo puro de manifestación de poder. La frescura se asocia así al poder.
[ii] El título en francés es más amplio que el título en inglés, que hace pensar que solo trata de la ingeniería de los ventiladores. En realidad, la guía aborda la ventilación de manera más global. El editor del libro es una empresa de fabricación de motores y hélices, hoy llamada Woods Air Movement.
[iii] Para una historia más detallada de la construcción bioclimática, consulte la tesis de Clément Gaillard, « Moduler le climat : genèse, développement et significations de la conception bioclimatique en architecture (1947-1986) ».
[iv] El diagrama de Givoni o “climograma” muestra los límites de la zona de confort térmico (rosa), la zona de influencia de la ventilación a 0,5 m/s (VV’ naranja), la inercia térmica (MM’ verde), la zona de influencia del enfriamiento evaporativo (EC y EC’ gris) y la zona de no calefacción por diseño solar pasivo (H y H’ amarillo). Estos elementos provienen de la publicación « le diagramme bioclimatique du bâtiment » de Jean-Louis IZARD y Olivier KACALA disponible en EnviroBOITE.
[v] La calibración se realizó a partir de estudios experimentales con cerca de 1300 sujetos en cámaras climáticas.
[vi] Norma ISO 7730:2005 « Ergonomía de los ambientes térmicos – Determinación analítica e interpretación del confort térmico mediante los índices PMV y PPD y mediante criterios de confort térmico local ».
[vii] Para quienes deseen un historial de alta calidad sobre el confort estival en edificios, se recomienda la guía del ICEB y ARENE Île de France sobre confort estival pasivo.
[viii] Este herramienta se puede usar con navegadores que permitan la traducción al francés, como Chrome, lo que proporciona una interfaz cómoda de utilizar.
[ix] El menú desplegable “control local” actualmente no tiene impacto en el cálculo.
[x] Para más detalles, consulte el artículo sobre confort térmico de EnergiePlus.
[xi] También llamado enfriamiento por evaporación, el enfriamiento adiabático se basa en el principio de que un aire caliente y seco que se humedece verá disminuir su temperatura. Para evaporarse, el agua absorbe energía y, por lo tanto, calor.
[xii] Motivo de satisfacción: a nivel nacional, el programa BRASSE, financiado por ADEME, publicará su informe final en 2023. Permitirá definir mejor la velocidad del aire de los ventiladores de techo. Asociará a 6 entidades principales: Surya Consultants, el Laboratorio Piment de la Universidad de La Reunión, EnvirobatBDM, el laboratorio Eiffel, LASA (acústica) y ISEA (ciencias sociales).

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