Conceptos Físicos en Construcción sostenible 3

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Wikilibro: Construcción sostenible > Capítulo 4: Eficiencia energética en edificación

Sección 2

Conceptos Físicos

Parámetros de confort térmico

La EPBD define la eficiencia energética como “la cantidad de energía calculada o medida que se necesita para satisfacer la demanda de energía asociada a un uso normal del edificio, que incluirá, entre otras cosas, la energía consumida en la calefacción, la refrigeración, la ventilación, el calentamiento del agua y la iluminación”. Es decir la energía que necesita un edificio para mantener unas adecuadas condiciones de confort, pero ¿Cómo se evalúa ese confort?

La evaluación del confort térmico [1] es compleja, puesto que el concepto de confort engloba factores de muy diversa índole. Estos factores deben considerarse de una forma integral, evaluando cómo afecta al confort la combinación de todos ellos.

El cuerpo humano, debido a su actividad metabólica, produce constantemente calor. Nuestro organismo necesita permanecer a una temperatura prácticamente constante para poder desarrollar su actividad. En consecuencia, el balance entre el calor generado y el calor cedido ambiente debe ser nulo. Si nuestro cuerpo pierde calor a mayor ritmo que en el que lo genera, tenemos sensación de frío. Si cedemos al ambiente menos calor del que generamos, la temperatura de nuestro cuerpo subirá.

Nuestro cuerpo intercambia calor con el ambiente de diversas formas:
a) al aire, por convección, en función de la temperatura y de la velocidad del aire,
b) por conducción con cuerpos sólidos con los que está en contacto (por ejemplo con el suelo),
c) por radiación del cuerpo hacia superficies próximas, y
d) por evapotranspiración, que refrigera la piel en función de la humedad relativa y de la temperatura.


Parámetros físicos

Como se ha comentado, el requerimiento principal para conseguir el confort térmico en un individuo es que su balance energético sea nulo, o casi nulo. Debemos prestar especial atención, pues, a aquellos factores y parámetros que tengan mayor influencia en la transferencia de energía entre el individuo y el ambiente:

Temperatura

Es quizá el parámetro más relevante en el balance energético. La diferencia entre la temperatura corporal y la temperatura del ambiente. En este punto es importante diferenciar diferentes conceptos relacionados con la temperatura, y que es interesante conocer:

  • Temperatura de bulbo seco: Temperatura del aire (prescindiendo de los efectos sobre el termómetro de la radiación y la humedad de este).
  • Temperatura radiante: Dos cuerpos que están a distintas temperaturas intercambian energía por radiación (ver Ley de Stefan-Boltzmann y Ley de Planck). La temperatura radiante media es la temperatura que incorpora el efecto promedio de enfriamiento o calentamiento por radiación electromagnética de un entorno. La temperatura radiante es un parámetro clave a la hora de evaluar el confort térmico y la sensación térmica, y debe ser un aspecto a desarrollar en los proyectos por los arquitectos e ingenieros. Por ejemplo, un puesto de trabajo situado al lado de una superficie de vidrio dará lugar a un probable disconfort por frío cuando la temperatura exterior sea baja, ya que la persona estará radiando energía hacia la ventana.
  • Temperatura operativa, según la definición del RITE, es la media aritmética entre la temperatura seca del aire y la temperatura radiante de los cerramientos del local. Integra la sensación de confort generada por la temperatura del aire y la temperatura radiante. Cuando la humedad está comprendida entre el 45 y el 60% y la velocidad del aire es inferior a 0,2 m/s la temperatura equivalente es el valor más utilizado. El RITE limita de forma general la temperatura operativa entre los 21°C y los 23°C en invierno, y los 23°C y 25°C en verano. Sin embargo, una reciente normativa establece que en los edificios públicos, la temperatura del aire en los recintos calefactados no será superior a 21°C, ni inferior a 26°C en los locales refrigerados.
  • Sensación térmica: es un índice arbitrario que caracteriza la sensación de mayor calor o frío que siente una persona en su piel cuando se expone a un ambiente con ciertas condiciones concretas de temperatura, viento o humedad.

Humedad relativa

Se define la humedad relativa como la relación porcentual entre la cantidad de vapor de agua real que contiene el aire, y la que necesitaría contener para saturarse a idéntica temperatura. Por ejemplo, una humedad relativa del 65% quiere decir que de la totalidad de vapor de agua (el 100%) que podría contener el aire a esta temperatura, en este instante contiene el 65%.

Tanto la norma UNE-EN 7730 como el RITE indican que las humedades relativas deben mantenerse en el rango del 30-70%, y el RITE establece como parámetro de diseño idóneo la banda entre el 40% y el 60%. La importancia de la humedad relativa influye poco en el confort mientras está comprendida entre el 40% y el 60%, aunque fuera de esta horquilla es una variable que afectará significativamente al confort térmico.

La humedad relativa (HR) junto a la temperatura del aire nos indicará en un diagrama psicométrico las condiciones térmicas en el interior de un local.

Velocidad del aire

La velocidad del aire es, junto a la temperatura y la humedad, uno de los valores determinantes de confort. Todos los sistemas de acondicionamiento, ya sean pasivos o activos obtienen el confort modulando estos tres factores.

La refrigeración producida por el movimiento del aire es debida a dos fenómenos. El primero es evaporativo y está provocado por el aumento de la tasa de evaporación del sudor al entrar en contacto con la corriente de aire. La evaporación absorbe la energía del cuerpo refrigerándolo. El segundo fenómeno se produce al aumentar la transferencia de calor por convección entre el cuerpo y el aire.

Diferentes autores en la literatura científica han situado las bandas de confort en cuanto a la velocidad del aire. Es habitual situar la velocidad máxima en edificios de oficinas en 0,8 m/s (para prevenir el vuelo de papeles y corrientes de aire frío que provoquen disconfort local).


La medida del confort térmico

Los parámetros individuales de confort térmico tienen que ver con la persona. Son, entre otros: la vestimenta, la tasa metabólica, edad, sexo, etc.

Estos factores tienen una relevancia menor que los parámetros físicos descritos anteriormente, pero no se puede en absoluto obviar su impacto, sobre todo en tipologías o usos concretos como residencias de ancianos, recintos deportivos, hospitales, etc.

Para evaluar los rangos de confort térmico en edificios se puede optar entre las siguientes opciones:

  • El método de Fanger [2], basado en el modelo PMV (Voto Previsto Medio), que en la actualidad es quizá el más extendido para la estimación del confort térmico, o
  • el modelo de confort adaptativo (Humphreys, Auliciems, Griffins, etc.,), que tiene en cuenta la capacidad de los ocupantes de adaptarse al clima exterior.

En líneas generales, se puede decir que el modelo de Fanger es adecuado para los edificios acondicionados mecánicamente, siendo el modelo adaptativo más apropiado para evaluar el confort en edificios climatizados con estrategias pasivas de calefacción o ventilación.

El método Fanger calcula, a partir de datos relativos a la vestimenta, la tasa metabólica, la temperatura del aire, la temperatura radiante media, la velocidad relativa del aire y la humedad relativa, dos índices denominados Voto medio estimado (PMV-predicted mean vote) y Porcentaje de personas insatisfechas (PPD-predicted percentage dissatisfied) valores ambos que aportan información clara y concisa sobre el ambiente térmico. EL Voto medio estimado es un índice que refleja el valor de confort positivo o negativo de los votos emitidos por un grupo numeroso de personas respecto de una escala de sensación térmica de 7 niveles (frió, fresco, ligeramente fresco, neutro, ligeramente caluroso, caluroso, muy caluroso), basado en el equilibrio térmico del cuerpo humano (la producción interna de calor del cuerpo es igual a su pérdida hacia el ambiente).

El Voto medio estimado predice el valor medio de la sensación térmica. No obstante, los votos individuales se distribuirán alrededor de dicho valor medio, por lo que resulta útil estimar el porcentaje de personas insatisfechas por notar demasiado frió o calor, es decir aquellas personas que considerarían la sensación térmica provocada por el entorno como desagradable.

El modelo adaptativo de confort propone una correlación entre la temperatura de confort para los usuarios de un edificio y temperatura del aire exterior. El concepto subyacente es el proceso por el cual el cuerpo humano se adapta al clima estacional y local. Por consiguiente, los usuarios considerarán diversas temperaturas de interior como temperaturas satisfactorias de confort, dependiendo de las condiciones climáticas exteriores en ese momento. El modelo adaptativo se basa en las correlaciones medidas entre la impresión subjetiva de los individuos sobre los rangos de confort en una muestra suficiente de edificios reales.

Comparado con modelo de Fanger, el modelo adaptativo considera una gama más amplia de temperaturas como “temperaturas aceptables” y por lo tanto permite más fácilmente una integración de las tecnologías pasivas de refrigeración.

Cartas Bioclimáticas de Olgyay

El arquitecto húngaro Víctor Olygay fue el primero en representar de forma gráfica la envolvente de confort para climas templados incorporando criterios de diseño arquitectónico para restablecer dichas condiciones satisfactorias.

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Ilustración 1: Carta Bioclimática de Olygay

La Carta Bioclimática de Olygay necesita correcciones según la humedad, la latitud...ya que está definida inicialmente para la zona templada de Estados Unidos. En el eje de ordenadas se representa la temperatura y el de abscisas la humedad relativa. La zona de confort viene marcada como aquella en la cual la combinación de valores crea una sensación térmica agradable. Se basa en unas condiciones concretas, para una persona con actividad ligera (paseando), vestida con ropa de entretiempo (1 clo), sin viento y a la sombra.

La envolvente es válida para espacios exteriores pudiendo extrapolarse a edificios de reducida inercia térmica, pero resulta un tanto discutida en el estudio de edificios de inercia térmica elevada al no tener en cuenta los efectos de esta en las condiciones de temperatura y humedad relativa interior.

Cada zona climática dispone de una carta bioclimática específica en función de las condiciones ambientales correspondientes a su clima. Sobre una de estas cartas pueden estudiarse las actuaciones a realizar entre el punto de partida de una estancia y aquél que garantizaría el confort térmico.

La carta bioclimática de Givoni

El arquitecto israelí Baruch Givoni[3] desarrolla, partiendo del climograma de Olygay, una carta bioclimática que es una herramienta muy sencilla para averiguar de manera aproximada qué tipo de estrategias deben tenerse en cuenta para proyectar un edificio en un clima concreto. Givoni sitúa la envolvente de confort (aquella que delimita la zona del diagrama dentro de la cual obtenemos unas condiciones de confort térmico) sobre un diagrama psicométrico estándar. Con ello se obtiene una herramienta muy útil para entender y aplicar distintas técnicas de enfriamiento o calentamiento natural mecánico o artificial.

Givoni.jpg
Ilustración 2: Climograma de Givoni

El climograma de Givoni es adecuado para climas cálidos secos. El área de confort se sitúa entre los 21°C y los 26°C y humedades relativas entre el 20 y el 75%. Givoni determina, al igual que Olgyay, estrategias de restablecimiento del confort para cada una de las zonas del diagrama, incluyendo características constructivas de los edificios.

El diagrama está dividido en varias zonas, cada una con un número. Estas zonas corresponden a áreas en las que se dan unos condicionantes climáticos similares, que pueden ser agrupados dentro de una misma categoría para la cual existe una solución bioclimática a resolver. Éstas son las categorías:
1 - Zona de confort, 2 - Zona de confort permisible. 3 - Calefacción por ganancias internas, 4 - Calefacción solar pasiva, 5 - Calefacción solar activa, 6 – Humidificación, 7 - Calefacción convencional, 8 - Protección solar, 9 - Refrigeración por alta masa térmica, 10 - Enfriamiento por evaporación, 11 - Refrigeración por alta masa térmica con ventilación nocturna, 12 - Refrigeración por ventilación natural y mecánica, 13 - Aire acondicionado, 14 - Deshumidificación convencional


El movimiento del sol y las sombras

La Tierra se mueve alrededor del Sol recorriendo una órbita elíptica casi circular. Adicionalmente, la tierra gira sobre sí misma, alrededor de un eje inclinado de 23º27' con respecto al plano orbital.

El sol sigue un movimiento de este a oeste respecto a la tierra. La posición del sol viene definida por su altitud sobre el horizonte, y por su azimut (ángulo entre la proyección en el plano horizontal de la línea que une el Sol a la Tierra y el eje norte-sur en el mismo plano).

TrayectoriasSolares.jpg
Ilustración 3: Esquema de las trayectorias solares

El recorrido del sol en un día determinado a una latitud determinada puede ser representado en un gráfico llamado Carta Solar. La carta solar cilíndrica consiste en un diagrama en el que se representa la posición del Sol sobre un lugar determinado para fechas diferentes y a diferentes horas, en función de la altura del Sol y el azimut del punto (orientación con respecto al Sur). En el eje vertical se sitúa la altura solar en grados sexagesimales y en el eje horizontal el acimut medido desde el Sur. Una de las aplicaciones de la carta solar es conocer el número de horas de sol teóricas (con cielo despejado) que reciben las diferentes fachadas de un edificio (o cuando no ocurre ninguna obstrucción. Para ello únicamente hay que considerar que el azimut en grados sexagesimales del eje X del diagrama expresa las diferentes orientaciones de la superficie. Así, en función de la orientación a la que esté expuesta una u otra fachada, se puede diferenciar claramente el número de horas de sol a la que está expuesta.

Por ejemplo, en Madrid:

CartaSolar.jpg
Ilustración 4: Ejemplo de Carta Solar. Madrid - Fuente: Universidad de Oregón

En el siguiente enlace de la Universidad de Oregón (USA) se pueden obtener las cartas solares de un determinado lugar si se conocen sus coordenadas: http://solardat.uoregon.edu/PolarSunChartProgram.html


Transferencia de Calor

Hemos visto como el parámetro fundamental en la consecución del confort térmico es la temperatura. Por tanto como proyectistas debemos conocer bien cuáles son las formas que existen de transmisión de calor, para poder controlarlas a la hora de diseñar un edificio, de forma que nos podamos beneficiar de su aporte gratuito de energía cuando sea necesario, y sepamos protegernos de una ganancia excesiva cuando no lo necesitemos.

Existen tres mecanismos de transmisión de calor: la conducción, la convección y la radiación. En la interacción entre edificio, ocupante y exterior entran en juego los tres mecanismos.

La conducción
La conducción es la forma que transmite el calor en cuerpos sólidos, se calienta un cuerpo, las moléculas que reciben directamente el calor aumenta su vibración y chocan con las que rodean; estas a su vez hacen lo mismo con sus vecinas hasta que todas las moléculas del cuerpo se agitan, por esta razón, si el extremo de una varilla metálica se calienta con una llama, transcurre cierto tiempo para el calor llegue a otro extremo.

La resistencia respecto a los flujos de calor que atraviesan un material se calcula en función de la conductividad térmica (λ): cantidad de energía que atraviesa una superficie de 1 m2 y 1 m de espesor cuando las temperaturas a ambos lados difieren en 1 °C. Sus unidades en SI son el W/m°C. En el caso de cerramientos multicapa, la resistencia equivalente se calcula según las propiedades y espesores de cada material que los componen.

La resistencia térmica (R) de un material da idea de la dificultad que encuentra el calor a la hora de transmitirse por el interior del material. A través de un medio homogéneo la resistencia térmica se relaciona directamente con el grosor del material de la forma:

R= e/λ

donde: R: resistencia térmica [m2•°C/W], e: espesor del material [m], λ: conductividad térmica [W/m•°C]

La convección

El segundo método de transferencia de calor es la convección. Consiste en un intercambio de calor entre el aire y un sólido (o a la inversa) cuando éstos se encuentran a diferentes temperaturas. La diferencia de temperaturas entre la cara de un sólido y el fluido con el que tiene contacto produce movimientos en el fluido debido a las diferencias de densidad que se crean. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la diferencia de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

La radiación

La radiación es la transmisión de calor entre dos cuerpos que no están en contacto entre sí y entre los cuales existe una diferencia de temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0 K emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada.

La energía de radiación es una forma de movimiento electromagnético similar al de la luz y la electricidad pero con longitudes de onda muy pequeñas (del orden de 10 μm). La distancia entre cuerpos prácticamente no tiene trascendencia y la energía emitida puede verse absorbida por el otro cuerpo o bien reflejada.

Incidencia de la radiación solar en los cerramientos

La energía solar es un aporte únicamente por radiación. La radiación solar puede manifestarse de tres modos en función de cómo la reciben los elementos radiados:

  • Radiación directa: procedente directamente del sol.
  • Radiación difusa: recibida de la atmósfera debido a la dispersión de la radiación solar en ésta.
  • Radiación de albedo: aquella que se refleja sobre la superficie terrestre.

La radiación solar que incide sobre un edificio puede hacerlo, en general, sobre una superficie opaca, o por una superficie de vidrio.
Al incidir sobre la superficie opaca del cerramiento, la energía calorífica se transmite al interior del edificio por conducción.

El coeficiente de transmisión térmica U

La resistencia térmica total (Rt) mide la oposición que muestra un cerramiento a transmitir el calor, considerando su comportamiento ante la conducción en función de la resistencia térmica de cada uno de los materiales que forman el cerramiento, así como el efecto de la convección de sus caras externas (exterior e interior) en contacto con los ambientes que lo rodean. El efecto de la convección se cuantifica mediante sus resistencias térmicas superficiales, que incluyen el efecto de la radiación.

Rt.jpg

El inverso de esta resistencia térmica total se define como transmitancia térmica (U) de unidades W/m2•ºC. Su significado es el de la cantidad de calor que pasa por 1 m2 de material cuando las temperaturas a ambos lados difieren en 1ºC.

Los valores hi y he se calculan mediante la suma de los coeficientes de cambio que deban tenerse en cuenta en la cara exterior e interior del material (en función de los mecanismos de transmisión de calor que actuarán en cada unos de los dos lados).

La inercia térmica

La Inercia térmica es la propiedad que indica la capacidad que tiene un cuerpo de almacenar la energía térmica recibida e ir cediéndola progresivamente. La inercia térmica depende de su masa, su densidad y su calor específico. Los edificios de gran inercia térmica tienen variaciones térmicas más estables, ya que el calor acumulado durante el día se libera en el período nocturno, esto quiere decir que a mayor inercia térmica mayor estabilidad térmica.

Esta propiedad es un factor clave en la arquitectura bioclimática, ya que puede conservar la temperatura del interior de los locales habitables más estable a lo largo del día, mediante muros de gran masa. Durante el día se calientan, y por la noche, más fría, van cediendo el calor al ambiente del local. En verano, durante el día, absorben el calor del aire de ventilación y por la noche se vuelven a enfriar con una ventilación adecuada, para prepararlos para el día siguiente. Un adecuado uso de esta propiedad puede evitar el uso de artificiales sistemas de climatización interior.

Sin embargo, es un error bastante generalizado afirmar que la inercia térmica es siempre positiva para el comportamiento energético de los edificios. Dependiendo de la tipología, la zona climática y del perfil de uso del edificio, puede ser interesante no almacenar la energía térmica, y a cambio conseguir una variación rápida de las temperaturas.

Radiación solar a través de los vidrios.

La longitud de onda de la radiación que llega a la Tierra está comprendida principalmente entre 0,3 y 3,5 μm. Los vidrios son permeables a la radiación de onda corta (longitudes de onda < 2,5 μm) lo que supone la mayor parte de la radiación (aprox. el 97%).

Cabe decir que no toda la radiación solar de onda corta que incide sobre un vidrio lo atraviesa, ya que parte se refleja y parte es absorbida por el vidrio. La radiación reflejada es función del ángulo de incidencia y del contenido de hierro del vidrio.

La energía absorbida por el vidrio se cede tanto al ambiente exterior como al interior, por radiación y convección. Generalmente suele cederse más energía hacia el exterior debido a una mayor diferencia de temperatura entre el vidrio y los objetos exteriores que no con los del interior y al mayor coeficiente de transmisión de calor por convección.

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Ilustración 5: Incidencia de la radiación solar a través de un vidrio

El resto de la radiación penetra calentando los cuerpos contra los que incide: paredes, suelo, etc., y aunque no calienta directamente el aire, éste termina calentándose por convección al ponerse en contacto con los cuerpos calientes. Todos esos cuerpos calientes, además de ceder calor por convección, irradian energía con una longitud de onda para la que es opaco el vidrio. De este modo el vidrio se convierte en un sistema que permite la entrada de la energía pero no su salida, logrando que se caliente constantemente el ambiente interior (efecto invernadero).

Las pérdidas de calor que indudablemente se producen a través de un vidrio se deben a dos conceptos. En primer lugar, la radiación de onda larga emitida desde el interior, al incidir sobre el vidrio, aunque no logra atravesarlo, lo calienta, dando la posibilidad a esa energía a perderse por convección o por la propia irradiación del vidrio caliente hacia el exterior. Y por otra parte, el modo en que se pierde mayor cantidad de energía es por transmisión de calor, en función de la diferencia de temperaturas entre el aire interior y el exterior, y del coeficiente de transmisión de calor aire-aire del vidrio, normalmente muy alto.

Factor solar

A la relación entre la energía que traspasa el material vidrio (la energía transmitida más la parte absorbida e irradiada al interior por el vidrio) y la energía total solar incidente sobre el mismo se le llama Factor Solar (Fs).

El factor solar es, por tanto, función de los factores de transmisión y absorción energética. Se trata de una magnitud variable en función del ángulo de incidencia solar y las condiciones externas de convección natural y la velocidad del viento.

  1. Ref. Bjørn Kvisgaard: “Thermal Comfort” Copyright © 1997 INNOVA Air Tech Instruments A/S, Denmark [Brüel &Kjær] Traducción: Manuel Martín Monroy © 2000
  2. Ref. P.O. Fanger, Thermal Confort (New York, McGraw-Hill, 1973)
  3. Givoni B, A. (1976) Man, Climate and Architecture. Architectural Science Serves. Publishers. Ltd. London

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