martes, 10 de mayo de 2011

Condiciones interiores de diseño en climatización

Las personas necesitan unas condiciones de confort para su vida cotidiana, bien en el trabajo, en lugares de ocio, o, en la vivienda. Por tanto, la instalación térmica debe estar diseñada para proporcionar estas condiciones interiores.
La sensación térmica depende por un lado de nuestra temperatura corporal e índice de vestimenta, y por otra parte, de unos parámetros ambientales principales como:
- Temperatura seca del local.
- Temperatura radiante media de los cerramientos.
- Velocidad media del aire.
- Humedad relativa del aire.
El balance térmico del cuerpo será:
ΔE = M – P
donde,
ΔE es el desequilibrio energético que se produce en el cuerpo humano.
M es la energía que genera el cuerpo y que depende de la actividad metabólica.
P son las pérdidas de energía del cuerpo al ambiente que le rodea.
En función del desequilibrio térmico, ΔE, las personas tienen una percepción de calor o de frío, que estudiado a nivel estadístico de un grupo de personas produce estimación de sensación térmica, la cual se concreta en el Voto Medio Predicho, PMV, que es una escala de sensación térmica, que oscila desde -3 (sensación de mucho frío), a, + 3 (sensación de mucho calor), pasando por el 0, el cual es una sensación de neutralidad térmica.
Una vez estimado el Voto Medio Predicho (PMV), se puede obtener el Porcentaje de Personas Descontentas (PPD). Para ello la norma UNE EN ISO 7.730: 2.006, ofrece la siguiente expresión de cálculo:
Ello puede verse en el siguiente gráfico:
Se observa que aún diseñando la instalación para unos parámetros ambientales de neutralidad térmica, se produce un 5% de porcentaje de personas descontentas. Por tanto, no podremos diseñar una instalación para un porcentaje 0  de personas descontentas. Debemos elegir el PPD que debe satisfacer la instalación térmica, para ello el informe CEN CR 1.752 establece 3 grupos de calidades del ambiente térmico:

Calidad Ambiente
Lugares Destino
PPD (%)
PMV
A
Guarderías, clínicas, hospitales
< 6
-O,2<PMV<+0,2
B
Resto de edificios nuevos
< 10
-O,5<PMV<+0,5
C
Calidad mínima en edificios existentes
< 15
-O,7<PMV<+0,7

La reglamentación de instalaciones térmicas nos ofrece unas condiciones interiores de bienestar que deben proporcionar las instalaciones de climatización:
Estación
Temperatura operativa
°C
Humedad relativa
%
Verano
23...25
45...60
Invierno
21...23
40...50

Esta tabla de condiciones interiores ha sido realizada para:
Actividad metabólica de 1,2 met.
Índice de vestimenta de:
0,5 clo en verano.
1 clo en invierno.
Prevé un porcentaje de personas insatisfechas (PPD) de entre un 10 y un 15 %.
Fuera de estas condiciones debemos calcular las condiciones interiores mediante el procedimiento indicado en la norma UNE EN ISO 7.730.

La actividad metabólica depende de la actividad que desarrollen las personas (anexo B, UNE 7.7.30):
Actividad
En W/m2
En met
Reposo, tendido
46
0,8
Reposo, sentado: sala de espera.
58
1,0
Actividad sedentaria: oficina, domicilio, escuela, laboratorio
70
1,2
Actividad ligera, de pie: compras, laboratorio, industria ligera
93
1,6
Actividad media, de pie: dependiente de comercio, tareas domésticas, trabajo con máquinas.
116
2,0
Observamos la definición de met, como el calor emitido por m2 de superficie de piel.
La superficie de piel se puede calcular mediante la expresión de Dubois (1916):
S = P0,425 x T0,725 x 0.007184
Donde, P es el peso en Kg, y, T, es la talla en cm.

El aislamiento de la ropa puede ser estimado mediante la siguiente tabla, para las combinaciones de ropa expuestas (tabla C.1. de la ISO 7.730):
Ropa de Trabajo
Clo
Ropa de diario
Clo
Calzoncillos, mono, calcetines y zapatos
0,70
Bragas, camiseta, pantalón corto, calcetines finos y sandalias.
0,30
Calzoncillos, camisa, mono, calcetines y zapatos
0,80
Calzoncillos, camisa de manga corta, pantalones ligeros, calcetines finos y zapatos
0,5
Calzoncillos, camisa, pantalones, bata, calcetines y zapatos
0,90
Bragas, combinación de medias, vestido y zapatos
0,70
Ropa interior de mangas y perneras cortas, camisa, pantalones, chaqueta, calcetines y zapatos
1,00
Ropa interior, camisa, pantalones, calcetines y zapatos
0,70
Ropa interior de mangas y perneras largas, chaqueta térmica, calcetines y zapatos
1,20
Bragas, camisa, pantalones, chaqueta, calcetines y zapatos
1,00
Ropa interior de mangas y perneras cortas, camisa, pantalones, chaqueta, chaquetón y sobrepantalones con acolchado grueso, calcetines, zapatos, gorro y guantes
1,40
Bragas, medias, blusa, falda larga, chaqueta y zapatos
1,10
Ropa interior de mangas y perneras largas, camisa, pantalones, chaqueta y pantalones térmicos, parka con acolchado grueso, chaquetón y sobrepantalones con acolchado grueso, calcetines y zapatos
2,55
Ropa interior de manga y perneras largas, camisa, pantalones, jersey de cuello en V, chaqueta, calcetines y zapatos
1,30

También puede utilizarse la tabla C.2. de la ISO 7.730, y sumar los valores de aislamiento parciales de cada prenda presentados en la citada tabla. Incluye dicha tabla la variación de temperatura operativa óptima para mantener la sensación de confort neutra al añadir o eliminar una prenda, en actividades esencialmente sedentarias (1,2 met). Muestro una parte de dicha tabla:

Expuesta la actividad metabólica y el índice de aislamiento de la vestimenta, queda por ver el significado de la temperatura operativa:
Puede considerarse como la media entre la temperatura seca y la temperatura medida de las paredes, suelo y techo que forman el local. En muchos locales la temperatura operativa será la temperatura seca, si hay suelo radiante o superficies acristaladas se deberá medir con un termómetro de esfera.
Un termómetro de esfera es un termómetro cuyo bulbo se encuentra dentro de una esfera metálica negra que recibe radiación de la envolvente de la habitación y por tanto tiene en cuenta la temperatura radiante. Es utilizada para medición del confort de las personas, pues valora ambas temperaturas.
Estos termómetros tiene mucha inercia y la medida deberá realizarse durante un periodo suficientemente largo hasta que se visualice un valor constante (generalmente entre 20 y 30 minutos).
Se podría medir la temperatura del ambiente y los cerramientos, así la temperatura operativa sería:
Toperativa = (Tseca + Tradiante) /2
Como hemos indicado anteriormente, normalmente tomaremos como Temperatura seca de diseño la temperatura operativa, pero en el caso de suelo radiante, por ejemplo, una menor temperatura seca nos ofrecerá la misma temperatura operativa debido a la mayor superficie radiante. Ello puede observarse en la tabla siguiente:


To
T amb
T Rad(med)
T suelo
To
T amb
T Rad(med)
T suelo
20
16
23
30
22
16
26,5
37
17
22,2
27,4
17
25,7
34,4
18
21,5
25
18
25
32
19
20,7
22,4
19
24,5
29,4
20
20
20
20
23,5
27
21
19,3
17,6
21
22,7
24,4
22
18,5
15
22
22
22
23
17,8
12,6
23
21,2
19,4
24
17
10
24
20,5
17
21
16
24,7
33,4
23
16
28,2
40,4
17
24
31
17
27,5
38
18
23,2
28,4
18
26,7
35,4
19
22,5
26
19
26
33
20
21
22
20
25,2
30,4
21
21
21
21
24,5
28
22
20,2
18,4
22
23,7
25,4
23
19,5
16
23
23
23
24
18,8
13,6
24
22,2
20,4


Podemos observar que para tener una temperatura operativa de 22ºC tenemos varias posibilidades:
Þ   En un sistema térmico convencional, sin grandes superficies acristaladas: Tamb=22ºC, Trad=22ºC.
Þ   En un sistema térmico convencional, con alguna superficie acristalada de gran dimensión (Trad baja): Tamb=24ºC, Trad=20ºC.
Þ   En una instalación por suelo radiante, con una gran superficie (el suelo) a mayor temperatura: Tamb=20ºC, Trad=24ºC, y una temperatura del suelo de 27ºC.
Hemos de tener en cuenta que el consumo de la instalación térmica será en base a la temperatura seca que aporte la instalación al ambiente, por ello, sistemas radiantes tiene menor consumo que otros sistemas de convencionales: fan-coils, radiadores, etc.
Para locales de gran altura debe realizarse un cálculo de la temperatura operativa más detallado, y tener en cuenta efectos como la estratificación del aire (que nos favorece en verano, pero perjudica en invierno).
Establece la ISO 7.730 en su tabla A.5. valores de diseño de temperatura operativa óptima para espacios de varios tipos de edificios, en función de la calidad térmica del ambiente a conseguir:

Observamos que a mayor índice de actividad metabólica disminuye la temperatura operativa.

Actividad metabólica
Toperativa óptima
Verano
Toperativa óptima
Invierno
1,00
26,0
24,0
1,20
24,5
22,0
1,40
23,5
20,0
1,60
23,0
19,0
1,80
22,5
18,0
2,00
21,5
16,5

El margen de la temperatura operativa depende de la calidad del ambiente térmico, observamos los siguientes márgenes:

De esta forma, conocida la actividad que realizan las personas en un local y su grado de vestimenta (0,5 clo en verano, y, 1 clo en invierno) se puede determinar la temperatura operativa óptima del local, y, en función de la calidad térmica del ambiente se determina el margen de temperatura.
Estas condiciones de bienestar deben darse en toda la zona ocupada por las personas:

La humedad relativa influye es otro parámetro que influye en el bienestar térmico de las personas.
Una gran parte del calor que posee el cuerpo humano se disipa por evaporación a través de la piel. Como quiera que la evaporación se favorece con  una humedad relativa del aire baja y se retarda si ésta es alta, de ello se deduce que la regulación de la humedad tenga una importancia tan vital como la temperatura, pero no es menos cierto que su influencia en el confort y demás sensaciones físicas no es de desdeñar; un exceso de humedad no sólo da como resultado reacciones fisiológicas perjudiciales, sino que también afecta (por lo común en forma perjudicial) a las cualidades de muchas de las sustancias contenidas en el lugar de que se trate, y muy particularmente sobre los vestidos y muebles.
Se define la humedad relativa como la relación entre la presión de real del vapor de agua contenida en el aire húmedo y la presión del vapor saturado a la misma temperatura. Se mide en tanto por ciento.

El valor idóneo depende de la temporada del año en que nos encontremos:
  •     Verano: 45 – 60 %.
  •     Invierno: 40 – 50 %.

Se permiten, en condiciones extremas de invierno, valores de humedad relativa mínima del 35 %, durante cortos periodos de tiempo. Pues humedades relativas excesivamente bajas provocan la resequedad de las vías respiratorias y la consiguiente incomodidad.
En general, humedades relativas superiores al 70 % aumentan el riesgo higiénico por la proliferación de bacterias, hongos, etc.


La velocidad del aire influye en el bienestar de las personas, dependiendo de la época del año en la que nos encontremos. Pues una misma corriente de aire puede ser gratificante en verano, pero provocar incomodidad en invierno.
El valor de la velocidad media (m/s) del aire dentro de la zona ocupada se calculará (para valores de temperatura seca entre 20 y 27ºC) dependiendo del sistema de climatización.
Ø Con difusión por mezcla:
o   Para un índice de turbulencia del 40 %.
o   Para un PPD por corrientes de aire del 15 %.
Ø Con difusión por desplazamiento:
  • Para una intensidad de las turbulencias del 15 %.
  • Para un PPD por corrientes de aire del 10 %.

Esta velocidad podrá ser mayor fuera de la zona ocupada.
Para valores diferentes siempre se puede recurrir a la norma ISO 7.730.

Hay otros índices que pueden provocar sensaciones de incomodidad térmica como:
ü Diferencia de temperatura vertical:
o   En locales con personas sentadas entre 0,05 y 1,10 metros.
o   En locales con personas de pie entre 0,05 y 1,7 metros.




ü Temperatura del suelo.

Por ello la temperatura del suelo radiante no puede aumentarse por encima de 29-31ºC, pues la incomodidad que provoca aumentar el PPD por este motivo, aún estando otros parámetros dentro de los valores de bienestar, como la temperatura operativa.
ü Asimetría de temperatura radiante:
o   Paredes frías o calientes.
o   Techos fríos o calientes.
También es importante otros factores, como la pureza del aire. La dilución de los olores humanos exige una ventilación y otros medios de eliminación de olores. También en la respiración exhalamos dióxido de carbono que queda en el ambiente, con lo que la proporción de oxígeno en el aire interior, va disminuyendo. También es importante disminuir las partículas sólidas del aire exterior mediante el conveniente filtrado, para evitar las molestias que ocasionan a las personas como la suciedad precipitada en los mobiliarios.
El humo ya sea interior como exterior, debe ser evacuado, para evitar efectos perniciosos al aparato respiratorio. También, la filtración del polen es un extremo beneficioso para las personas atacadas por asma y alergias.
Incluso la regulación de la proporción de iones contenidos en el aire puede resultar de importancia en el futuro, pero en la actualidad los conocimientos sobre el particular y su reducción son escasos para poder deducir conclusiones.
Para ello es importante incluir filtros en la entrada de aire: prefiltros, y en la impulsión de aire: filtros finales.
El nivel de filtrado viene exigido por el Reglamento de Instalaciones Térmicas en función de la calidad deseada en el interior de los recintos (IDA), y la calidad del aire exterior del edificio (ODA).
Puede leer los artículos publicados en febrero en el blog sobre:
¿Cómo podemos conocer exactamente el PMV y consecuentemente el PPD?:
ü Utilizando la siguiente expresión dada en la ISO 7.730:

ü quizá, más cómodo utilizar las tablas y anexos finales ofrecidos en la citada ISO 7.730.
Datos que necesitamos para calcular el PMV, por medio de tablas ofrecidas por la ISO 7.730:
Þ   Actividad metabólica.
Þ   Tabla B.1.
Þ   Índice de vestimenta.
Þ   Tabla C.1. para combinaciones ofrecidas, o bien, la tabla C.2. para realizar la combinación de prendas que se deseen y se sumen los valores de aislamiento de cada prenda.
Þ   Proponer una Toperativa en ºC.
Þ   Proponer una velocidad media del aire en m/s.
Con estos datos entramos en las tablas del apéndice E y obtendremos, con un error menor que 0,1 de PMV.
Veamos un recorte de dicha tabla:

El valor ofrecido por la tabla es el Voto Medio Predicho (PMV), una vez obtenido debemos calcular el Porcentaje de Personas Descontentas (PPD) con la expresión:

Una vez obtenido el PPD, si este es:
Ø PPD < 6    Þ Calidad ambiente A.
Ø PPD < 10 Þ Calidad ambiente B.
Ø PPD < 15 Þ Calidad ambiente C.
Valores límite para la estimación del PMV:
Parámetro
límites
unidades
Temperatura seca del aire
10…30
°C
Temperatura radiante media
10…40
°C
Velocidad media del aire
0…1
m/s
Humedad relativa
30…70
%
Actividad metabólica
0,8…4,0
met
Grado de vestimenta
0,0…2,0
clo



Veamos algunos parámetros desarrollados de la aplicación de la citada UNE 7.730:

Rectifico en rojo valores erroneos ofrecidos por las guias técnicas del RITE 17 y 18.

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