Microclima térmico
Confort, malestar y estrés por frío o por calor.
El Microclima Térmico se refiere a los parámetros ambientales que influyen en los intercambios térmicos entre un individuo y el ambiente en lugares confinados, y que determinan el llamado “bienestar térmico”.
Los factores climáticos microambientales, junto con el tipo de trabajo realizado, condicionan al
trabajador en una serie de respuestas biológicas ligadas a situaciones de bienestar (Confort) o malestar térmico (Malestar). De hecho, el cuerpo humano trata de mantener el equilibrio térmico en condiciones de equilibrio para mantener la temperatura corporal en valores óptimos.
El modo más utilizado para cuantificar esa influencia, es mediante la visualización del índice TGBH:
Midiendo las temperaturas de bulbo húmedo de ventilación natural, la del termómetro de globo y la temperatura ambiente, se puede calcular este índice tanto en presencia de radiación solar (exterior) como en ausencia de radiación solar (interior).
Pero no es la única manera. El índice TGBH no es adecuado para evaluar estrés por frío, y además no tiene en cuenta otros parámetros que pueden influir fuertemente en la sensación de confort o que pueden presentarse como indicación de posible malestar.
Existen otros indicadores que se presentan a continuación, tales como el PMV, PPD, Temperatura UTCI y Temperatura TEP, Tr, Turbulencia, y más.
1.- ÍNDICE TGBH
El TGBH (Temperatura de Globo y Bulbo Húmedo), o WBGT (Wet Bulb Globe Temperature), representa el valor, con referencia a los desechos metabólicos asociados con una actividad particular, más allá del cual el individuo se puede encontrar en una condición de estrés térmico. El índice TGBH combina la medición de temperatura de bulbo húmedo de ventilación natural (Tnw) con la temperatura del termómetro de globo (Tg) y, en algunas situaciones, con la temperatura del aire (Ta). La fórmula para el cálculo es la siguiente, y se aplica a un individuo con ropa de trabajo de algodón de referencia ( Icl = 0,6 e im = 0,38):
- dentro y fuera de los edificios en ausencia de radiación solar:
TGBHinterior = 0,7 Tnw + 0,3 Tg - fuera del edificio en presencia de radiación solar:
TGBHexterior= 0,7 Tnw + 0,2 Tg + 0,1 Ta
donde:
Tnw = temperatura de bulbo húmedo de ventilación natural
Tg = temperatura del termómetro de globo
Ta = temperatura del aire
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Sensor 1 corresponde a la medición del tronco a 0,85 metros de altura |
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| Medidor de estrés térmico QuesTemp 36 donde se observan los tres conectores de entrada de las señales de cada cabezal de sensores y el sensor de velocidad del aire. |
Los datos detectados deben compararse con los valores límite establecidos por la norma; si se exceden, es necesario:
- Reducir directamente el estrés térmico en el lugar de trabajo considerado;
- Proceder con un análisis detallado del estrés térmico.
Tabla 1: valores límite del estrés térmico WBGT (TGBH) indicados en la norma ISO 7243
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Para calcular el índice TGBH, se hace referencia a las normas ISO 7726 y ISO 7243
2.- VOTO MEDIO PREVISTO (PMV) Y PORCENTAJE PREVISTO DE INSATISFECHOS (PPD)
El confort térmico es definido por ASHRAE (Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado) como una condición de bienestar psicofísico del individuo con referencia al medio ambiente en el que vive y trabaja.
La evaluación de dicho estado subjetivo puede ser objetivada y calculada mediante índices integrados que consideran los parámetros microclimáticos ambientales (Ta, Tr, Va, RH), los residuos energéticos (metabólicos MET) asociados a la actividad laboral y la tipología de vestimenta (térmicos). aislamiento (CLO) habitualmente utilizado.
El índice que refleja con mayor precisión la influencia de las variables físicas y fisiológicas es el índice PMV (Predicted Mean Vote).
En resumen, proviene de la ecuación del balance térmico cuyo resultado está relacionado con una escala de bienestar psicofísico y expresa el voto medio (voto medio previsto) sobre las sensaciones térmicas de una muestra de individuos que se encuentran en el mismo ambiente.
Del índice PMV se deriva un segundo índice denominado PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) que cuantifica la estimación en porcentaje de los individuos “insatisfechos” en relación a determinadas condiciones microclimáticas.
La norma ISO 7730 sugiere el uso del índice PMV en presencia de los siguientes rangos de variaciones de las variables que influyen en el equilibrio térmico:
- Desperdicio energético = 1 - 4 met
- Impedancia térmica de la ropa = 0 - 2 clo
- Temperatura de bulbo húmedo = 10 - 30 °C
- Temperatura radiante media = 10 - 40 °C
- Velocidad del aire = 0 - 1 m/s
- Presión de vapor = 0 - 2,7 kPa
El índice PMV es, por tanto, un índice particularmente adecuado para la evaluación de entornos de trabajo con microclima moderado, como casas, escuelas, oficinas, laboratorios, hospitales, etc.; es útil para detectar grados limitados de incomodidad térmica en los residentes de dichos entornos.
La norma ISO 7730 sugiere valores de PMV entre +0,5 y -0,5 para el confort térmico, lo que corresponde a un porcentaje de insatisfechos con las condiciones térmicas (PPD) inferior al 10% (ver la siguiente tabla).
Tabla 2: escala de sensación térmica
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Para el cálculo de los índices PMV y PPD es necesario conocer la carga de trabajo (gasto energético) y la impedancia térmica de la ropa.
Tabla 3: valores de impedancia térmica de algunas combinaciones típicas de ropa (ISO 9920)
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Tabla 4: tasa metabólica – clasificación según el trabajo
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Tabla 5: Tasa metabólica – clasificación por categoría
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Para la medición de los índices PMV y PPD se hace referencia a las normas ISO 7726 y ISO 7730:2005
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| Aplicaciones de microclima en ambiente moderado (cumpliendo con las normas ISO 7730 y ASHRAE 55): o Medición de los índices de confort global PMV, PPD y Tr . Medición de las condiciones de confort y calidad del aire interior, por ejemplo, en escuelas, oficinas, etc. |
3.- TEMPERATURA RADIANTE MEDIA
La temperatura radiante media (Tr) se define como la temperatura uniforme de un cuerpo negro ficticio con e l que un individuo intercambiaría la misma cantidad de energía térmica radiante que intercambia en el entorno real no uniforme.
Para evaluar la temperatura radiante media, debemos detectar: la temperatura del termómetro de globo, la temperatura del aire y la velocidad del aire medidas cerca del termómetro de globo.
La fórmula para calcular la temperatura radiante media es la siguiente:
- En caso de convección natural:
- En caso de convección forzada:
donde:
D = diámetro del termómetro de globo
εg = 0,95 emisividad supuesta del termómetro de globo
Tg = temperatura del termómetro de globo
Ta = temperatura del aire
Va = velocidad del aire
La temperatura radiante media no coincide con la temperatura del aire: si dentro de una habitación hay zonas que tienen una temperatura muy superior a la del aire (pensemos, por ejemplo, en la llama de una chimenea), la temperatura radiante media es significativamente alterada por la presencia de esta zona muy caliente.
La temperatura radiante media se detecta con el termómetro de globo, que es un sensor de temperatura formado por una esfera de cobre pintada de negro mate, con una emisividad εg igual a 0,95 (según la norma ISO 7726), con un sensor Pt100 en su interior.
La temperatura del termómetro de globo puede ser significativamente superior a la temperatura del aire, como en el caso de un refugio de montaña, donde el aire está a 0 °C, pero donde la presencia de una chimenea produce una temperatura radiante media de 40 °C, lo que garantiza una situación de comodidad.
En condiciones normales, mantener una temperatura radiante media significativamente superior a la temperatura del aire es una ventaja en términos de calidad ambiental. En los hogares donde ya no existen chimeneas o estufas, la temperatura radiante media suele coincidir con la temperatura del aire, o incluso es inferior. Estas situaciones (el caso principal lo representan los edificios con grandes superficies acristaladas) no son especialmente saludables ya que el aire cálido y húmedo facilita el desarrollo de patógenos. Desde este punto de vista, la calefacción con lámparas o paneles radiantes es mucho más saludable. Es más higiénico asegurar las condiciones de confort con una temperatura radiante media superior a la temperatura del aire. Muchas legislaciones establecen erróneamente la temperatura del aire en lugar de la temperatura radiante media como parámetro de evaluación de los sistemas de calefacción.
Para el cálculo de la temperatura radiante media se toma como referencia a la norma ISO 7726.
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| Medición del índice de malestar local DR. Aplicaciones de calidad del aire interior Análisis del síndrome del edificio enfermo. Verificación de la eficiencia de los sistemas de Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC). Automatización de edificios. |
4.-INTENSIDAD DE TURBULENCIA TU Y TASA DE CALADO (DR, Draft Rate)
La intensidad de la turbulencia local, en porcentaje, se define como la relación entre la desviación estándar de la velocidad del aire local y la velocidad del aire promedio local (ISO 7726):
dónde:
Va = velocidad media del viento local
SD = desviación estándar de la velocidad del viento local
Del cálculo de la turbulencia, conociendo los valores medios de la velocidad del viento local y la temperatura ambiente, se obtiene el DR, según ISO 7730:
| Normas de referencia: • ISO 7726 Ergonomía de los ambientes térmicos. Instrumentos de medida de las magnitudes físicas. Ergonomics of the thermal environment - Instruments for measuring physical quantities. • ISO 7730 Ergonomía del ambiente térmico. Determinación analítica e interpretación del bienestar térmico mediante el cálculo de los índices PMV y PPD y los criterios de bienestar térmico local. Ergonomics of the thermal environment - Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria • ISO 7243 Ergonomía del ambiente térmico. Evaluación del estrés al calor utilizando el índice WBGT (temperatura de bulbo húmedo y de globo). Ergonomics of the thermal environment - Assessment of heat stress using the WBGT (wet bulb globe temperature) index • ASHRAE 55 Condiciones Ambientales Térmicas para Ocupación Humana. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy” • ASHRAE 62.1-2019 Ventilación para una calidad de aire interior aceptable. Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality |
5.- ÍNDICE DE CALOR
El índice de calor HI se calcula en función de la temperatura ambiental y la humedad relativa y estima el malestar fisiológico debido a las altas temperaturas en presencia de alta humedad.
De hecho, la condición de calor bochornoso limita la dispersión del calor del cuerpo humano, lo que dificulta el proceso de termorregulación con posibles consecuencias para la salud del individuo, que incluso puede conducir a un golpe de calor y a la muerte.
El índice de calor se define para temperaturas mayores o iguales a 27 °C y para índices de humedad relativa mayores o iguales a 40%.
La "Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE. UU. (NOAA)" clasifica el índice de calor en cuatro niveles de riesgo, resaltados con códigos de colores, como se muestra en las siguientes tablas.
Tabla 7: índice de calor en función de la temperatura y la humedad
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Niveles de riesgo en caso de exposición prolongada y/o actividad física
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6.- TEMPERATURA UTCI
La temperatura UTCI (Índice térmico universal del clima) se define como la temperatura del aire en una condición de referencia, que provoca la misma respuesta del modelo que las condiciones reales.
La comisión de la ISB (Sociedad Internacional de Biometeorología) sobre la UTCI ha definido como condición de referencia las siguientes:
- Persona caminando a 4 km/h.
- Tasa de producción de calor metabólico = 2,3 MET (≈135 W/m2 ).
- Velocidad del aire (Va) = 0,5 m/seg a 10 m sobre el suelo.
- Temperatura radiante media (Tr) = Temperatura del aire (Ta).
- Si Ta < 29 °C, Humedad relativa (HR) = 50%
- Si Ta > 29 °C, Presión de vapor parcial = 2 kPa
La temperatura UTCI depende de los valores reales de temperatura del aire, velocidad del aire y humedad relativa. Es válido calcularla en todos los climas y estaciones, y es independiente de las características del individuo. La siguiente tabla reporta el estrés térmico en función de la temperatura UTCI.
Tabla 9: Niveles de estrés térmico UTCI
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7.- TEP. TEMPERATURA EQUIVALENTE PERCIBIDA
La Temperatura Equivalente Percibida (TEP) se define como la temperatura que produce una sensación térmica equivalente a las de la temperatura del aire de un ambiente de referencia:
Persona inmóvil de pie. • Aire quieto (Va= 0). •
Temperatura radiante media (Tr) = Temperatura del aire (Ta).
Humedad relativa (HR) = 50%.
La fórmula para calcular la Temperatura Equivalente Percibida es la siguiente:
TEP = -3,777 + 0,4828 Ta + 0,5172 Tr + 0,0802 HR -2,322 Va
donde:
Ta = temperatura del aire (°C)
Tr = temperatura radiante media (°C) HR = humedad relativa (%)
Va = velocidad del aire (m/s)
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