Benestar tèrmic en un espai climatitzat

Angel Sánchez de Vera Quintero. Cap del Departament de Serveis i Agricultura
Ahorro energético en el hogar

Analitzar el nivell de qualitat ambiental que podem percebre en un espai tancat es redueix a provar si ens hi sentim còmodes o no. Si en aquest espai hi ha una única persona, el resultat no té discussió; pot trobar-s'hi bé o malament amb un 100 % d'encert. Però si en un mateix espai conviuen més persones, distints condicionants fan que el que alguns consideren còmode o confortable, altres ho percebin com a incòmode o inconfortable. Sota aquests condicionants analitzarem el benestar tèrmic de les persones en espais tancats moderats per instal·lacions de climatització. 

Les persones, com a éssers vitals, som semblants a màquines que prenen combustible (aliment) i el transformen en activitat i en calor (metabolisme). És evident que aquell aliment/energia que no s'hagi consumit en fer una activitat/treball s'haurà, igualment, de dissipar/expulsar a l'exterior, ja que la nostra capacitat d'acumular/emmagatzemar energia és limitada. La forma de dissipar la calor a l'exterior del nostre cos és en forma sensible, mitjançant conducció, convecció i radiació corporal, i en forma latent, per evaporació a través de la respiració, la transpiració per la pell i la sudoració. A la seva vegada, la velocitat amb què una persona intercanvia aquesta calor amb l'exterior depèn, fonamentalment, de la temperatura i de la humitat d'aquest ambient i del nivell d'aïllament de la roba que porti posada, unes vegades serà interessant incrementar-lo (hivern) i altres reduir-lo (estiu), a efectes d'aconseguir el millor equilibri d'intercanvi tèrmic amb l'aire que ens envolta. Quan el balanç és neutre, hem aconseguit l'equilibri energètic, ens sentirem còmodes i aquest serà el nostre benestar tèrmic.

Explicat de forma pràctica, ho vivim quotidianament: Per exemple, s'acalora una persona quan fa un esforç o un exercici físic, o quan té febre, o ingereix una menja abundosa (paràmetres del cos) i ho combat, o bé disminuint l'aïllament, alleugerint la roba (paràmetres de vestimenta), o bé modificant la temperatura o la velocitat de l'aire que l'envolta (paràmetres del clima): És precisament aquesta darrera acció —variar els paràmetres del clima— la que pot despertar la incomoditat d'una altra persona que es trobi en aquest mateix espai climatitzat i que en aquest moment pot mantenir un altre balanç d'energia específic del seu metabolisme i del nivell de vestimenta.

Per a què es fa servir una instal·lació de climatització? Per moderar l'aire que ens envolta en un espai tancat aportant calor o fred i facilitar així de forma confortable la transferència tèrmica del nostre cos amb l'ambient, al qual cedirem calor o del qual en captarem en funció de la nostra activitat i nivell d'energia interna, assolint el nostre equilibri tèrmic sense arribar a suar o passar fred.
 

Paràmetres del cos humà. Producció d'energia metabòlica per a distintes activitats

Un primer pas ha sigut establir la quantia de la generació de calor dels nostres cossos per a distintes activitats. Existeixen mètodes per estimar-la que s'han recollit en la norma UNE EN ISO 8996. (El fet que una norma UNE EN sigui també ISO indica que el contingut és d'acceptació mundial.)

L'energia que desprenem s'expressa amb la unitat de mesura "met", unitat el patró corresponent de la qual correspon al metabolisme d'una persona sana, asseguda i sense treballar. Atès que aquesta activitat correspon a una emissió per unitat de superfície de 58,2 W/m2, la quantia d'energia que emetem a l'exterior en funció de la nostra activitat, calculada en termes de calor sensible i latent i expressada en watts, s'escala en la següent taula, havent-se considerat una mitjana del 50 % d'homes i del 50 % de dones (el metabolisme d'una dona és el 85 % i el d'un nen el 75 % del metabolisme d'un home).

Activitat metabòlica

sensible

latent

 

ACTIVITAT

W

W

met

dormint

50

25

0,76

estirat

55

30

0,86

assegut, sense treballar

65

35

1,0

dret, relaxat

75

55

1,3

passejant

75

70

1,5

caminant

a 1,6 km/h

50

110

1,6

 

a 3,2 km/h

80

130

2,1

 

a 4,8 km/h

110

180

2,9

 

a 6,4 km/h

150

270

4,2

ballant moderadament

90

160

2,5

atlètica en gimnàs (homes)

210

315

5,0

esport d'equip masculí (valor mitjà)

290

430

6,9

feines:

 

 

 

 

 

molt lleugera, assegut

70

45

1,2

 

moderada (a oficines; valor mitjà)

75

55

1,3

 

sedentària (restaurant, inclosos menjars)

80

80

-

 

lleugera dret (indústria lleugera, de compres etc.)

70

90

1,6

 

mmitjana dret  (feines domèstiques, botiguesetc.)

80

120

2,0

 

manual

80

140

2,1

 

lleugera (a la fàbrica; només homes)

110

185

2,8

 

pesada (a la fàbrica; només homes)

170

255

4,0

 

molt pesada (a la fàbrica; només homes)

185

285

4,5

           
 

Font: UNE-EN ISO 8996 i Alberto Viti Corsi

 

En la taula s'aprecia no només la gran diferència de les nostres emissions de calor en funció de l'activitat que desenvolupem en cada moment, sinó també el pes que adquireix la quantia en calor latent en comparació amb la sensible en aquestes activitats diferents. Efectivament, a part de la funció transmissora de calor que exerceix la sang cap als capil·lars superficials de la pell, el cos està format per un percentatge elevat d'aigua que també contribueix a controlar el nostre balanç d'energia interna, migrant des de l'interior cap a l'exterior i fluint i evaporant-se en la respiració i a través de la pell per transpiració. D'aquesta forma es regula el nivell d'energia interna i es dissipa l'excedent cap a l'exterior. 

Els paràmetres de la taula són extraordinàriament pràctics. No només ens ajuden a comprendre i visualitzar allò expressat, sinó que la seva quantificació permet dissenyar les instal·lacions de climatització adequant la potència requerida a les activitats que s'hi desenvoluparan, en aquests locals. No suposa el mateix refrigerar un cinema, on la potència necessària que s'ha d'instal·lar serà de 100 W per espectador, que un gimnàs, on es necessitaran 525 W de potència per usuari, i tot això amb independència de la potència requerida per vèncer les pèrdues o els guanys tèrmics a través de tancaments d'aquests locals i en l'aire de ventilació.

 

Paràmetres de la vestimenta. Aïllament tèrmic de la roba

Som cossos calents, a una temperatura al voltant de 36,7 °C, variable amb l'edat, activitat i fins i tot l'hora del dia. Mantenir-nos-hi ens aporta benestar. Actuem posant-nos més o menys roba en funció no tan sols del que fem (activitat) sinó d'on ens trobem (temperatura ambiental).

Això porta també a tabular els nivells d'aïllament d'una persona en funció de la roba que porta posada, sent en aquest cas la mesura de referència el "clo", unitat que defineix el nivell d'aïllament tèrmic de la vestimenta. El clo = 0 correspon a un home nu i, a partir d'aquí, mesurant la resistència tèrmica de les peces de roba al laboratori, es determina el clo per a distintes composicions en funció de la fórmula: 

Resistència tèrmica de la vestimenta = 0,155 × clo (m2 K/W)


En la taula següent s'estableixen valors d'aïllament tèrmic de la vestimenta, en formes combinades, més pràctic per als càlculs del benestar tèrmic.   

 

 

Tipus de vestimenta

Aïllament tèrmic (clo)

Nu

0,0

Amb pantalons curts

0,1

Vestimenta tropical: pantalons curts, camisa de màniga curta i sandàlies

0,3

Vestimenta d'estiu lleugera: pantalons llargs lleugers, camisa de màniga curta, mitjons lleugers i sabates

0,5

Vestimenta de feina

0,7

Vestimenta d'hivern lleugera: camisa de màniga llarga, pantalons gruixuts, jersei, mitjons gruixuts, sabates

1,0

Vestimenta d'hivern

1,5

 

 

      Font: Norma UNE-EN ISO 9920 i Alberto Viti Corsi

 

Aquest és un altre factor que intervé en la determinació del benestar tèrmic d'un ambient compartit per diverses persones, on si bé totes podrien fer la mateixa activitat, la diferència de nivell d'aïllament tèrmic de la seva roba podrà provocar el desconfort d'uns en comparació amb altres gaudint d'una mateixa temperatura ambiental.

A tall d'exemples pràctics, ho vivim a l'estiu a les oficines, on unes persones van amb sandàlies o manoletines, sense mitges i amb els braços o muscles destapats i altres amb sabates, mitjons i camises tancades i fins i tot jaquetes: uns desitjaran apujar la temperatura del sistema de climatització i altres la voldran abaixar dins del mateix local. O a l'hivern, quan en alguns hospitals es van haver de substituir els termòstats accessibles a les habitacions dels malalts, que necessiten un ambient proper als 26 °C perquè són en un llit amb només un llençol, i quan arribaven les visites amb roba d'hivern i abrics, el primer que feien era queixar-se de la calor i abaixar-li al malalt la temperatura de l'habitació.

 

Determinació de la temperatura de confort

Com hem vist, les persones tenim característiques distintes les unes de les altres en funció del que hem menjat, del que estem fent en aquell moment i de com anem vestits. Aquests tres factors faran que el nostre cos requereixi temperatures distintes de l'ambient que ens envolta per assolir l'equilibri en la transferència de calor, cedint o captant calor i aconseguir, amb això, el benestar. 

A l'hora de seleccionar la temperatura del sistema de climatització d'un espai tancat, si hi ha només una persona, com dèiem a l'inici, no hi haurà cap problema: estarà a gust o no amb un 100 % d'encert i tot es reduirà al fet que actuarà sobre el termòstat al seu gust.
El problema sorgeix quan els usuaris d'una mateixa instal·lació que climatitza un local són múltiples. Qui estarà a gust? Amb quin criteri es fixa una temperatura per a tothom? El més lògic serà cercar el màxim de punts comuns i satisfer així el màxim nombre de persones possibles. I això és el que s'ha estudiat en profunditat i la seva metodologia s'ha normalitzat en la UNE-EN ISO 7730 Ergonomia de l'ambient tèrmic.

Determinació analítica i interpretació del benestar tèrmic mitjançant el càlcul dels índexs PMV i PPD i els criteris de benestar tèrmic local. 

Precisament el treball contingut en aquesta norma és el resultat d'haver sotmès a assaig i recollit l'opinió de col·lectius de persones que van ser sotmeses, en un local tancat, a variacions de les condicions tèrmiques de l'ambient, i la seva opinió sobre la sensació que anaven experimentant, en una escala des de molta calor, calor, bé, fred o molt fred, va donar com a resultat el que es coneix com a Vot Mitjà Estimat (PMV) que, alhora, ha permès d'establir el concepte de percentatge de persones insatisfetes i determinar aquest Percentatge Estimat d'Insatisfets (PPD). 

Aquestes valoracions van permetre desenvolupar un procediment de càlcul analític que determina el percentatge de persones insatisfetes que es produiria en un espai tancat en funció de variacions dels paràmetres de l'ambient, del cos humà i de la vestimenta.

Tot i que fins ara ens hem centrat en dos factors fonamentals, el metabolisme i el nivell d'aïllament de la vestimenta, perquè per una banda són els que més pes suposen a l'hora de determinar les condicions necessàries que aportarà el sistema de climatització i, de l'altra, estan evidentment supeditades a l'arbitri, grau de llibertat o lliure albir de l'usuari de les instal·lacions, la realitat és que en la metodologia per a la determinació del benestar d'un ambient tèrmic intervenen altres paràmetres que també influeixen en la determinació del mateix, dels que cal destacar no tan sols la temperatura d'aquest ambient, sinó la humitat relativa i la velocitat de l'aire que ens envolta.

Per tractar de visualitzar aquesta metodologia d'una forma pràctica, analitzarem quina seria la temperatura òptima en una oficina (feina moderada), a l'estiu. Per a això, seleccionem una activitat metabòlica que pogués ser 1,0 met o 1,3 met i un nivell d'aïllament en la vestimenta que podria ser de 0,5 clo o 0,7 clo. 

Alhora, fixarem uns valors estàndards en la instal·lació de climatització: una humitat del 40 % i una velocitat de l'aire d'impulsió de 0,10 m/s i analitzarem quina incidència tenen la variació dels met i els clo seleccionats en la determinació del PPI mitjançant l'aplicació de les equacions desenvolupades en la norma esmentada.

 

Variació del PPI en funció del nivell d'aïllament de la vestimenta (clo)

Davant del valor adoptat d'un clo del 0,5 que correspon a un nivell de vestimenta lleugera d'estiu, què passa si algú va un poc més "aïllat", amb un vestit en lloc d'una samarreta de màniga curta, i s'aproxima a un clo del 0,7?

En la següent figura es representa el PPI per a distintes temperatures en funció del clo, en què s'han mantingut la resta de variables (metabolisme, humitat i velocitat de l'aire) amb els mateixos valors dels càlculs.

 

Com representa la figura, un grau més elevat de vestimenta (clo superior) permet de suportar temperatures més baixes; p. ex., hi ha un grau menor d'insatisfets a 22 °C, el 5,7 % de les persones amb un clo del 0,7 comparatZ amb un 11,7 % d'insatisfets a aquesta temperatura vestits amb un grau inferior de vestimenta, amb un clo del 0,5. No obstant això, i contràriament, els muscles a l'aire, per exemple, produeixen un grau més elevat de satisfacció a temperatures més altes. Aquest és el motiu pel qual moltes dones a l'estiu porten un xal o una rebeca a l'oficina per suportar millor temperatures d'aire condicionat per sota de 25 °C, mentre que persones més vestides (jaqueta) comencen a sentir-se acalorades per sobre dels 24 °C.

En aquest cas concret per a aquesta oficina, la temperatura que aportaria el percentatge més baix d'insatisfets seria la de 24 °C (persones amb activitat d'1,3 met i vestides amb un clo d'entre 0,5 i 0,7).

 

Variació del PPI en funció de la variació del metabolisme

Però, què passa si en aquesta oficina hi ha persones amb activitats distintes? Considerem el que està treballant amb l'ordinador o fent una feina asseguda molt lleugera (met 1,1) en comparació amb el que es desplaça per l'oficina, participa en una reunió (met 1,3) i suposem ara que tots van amb el mateix clo per fer variable exclusivament aquest metabolisme.

 

Visualitzem en la figura que el grau d'insatisfets a menor temperatura és molt reduït si en la seva activitat "cremen" 1,3 met, però es converteix en un ambient insatisfactori, per sensació de fred, per a aquells treballadors que utilitzen només 1,1 met.

En aquest cas concret per a aquesta oficina, la temperatura que aportaria el percentatge més baix d'insatisfets seria la de 25,7 °C (persones amb un clo de 0,5 i una activitat d'entre 1,1 i 1,3).

Amb tot això, en condicions de refrigeració, es desprèn que un menor nivell d'aïllament tèrmic en la vestimenta permet elevar uns graus la temperatura de climatització, de la mateixa manera que a mesura que l'activitat és més moderada es pot elevar la temperatura de climatització sense risc d'incrementar de forma notable el PPI.

L'anàlisi en calefacció és semblant, essent en aquest cas un increment de l'aïllament de la roba el que permetrà reduir la temperatura del local sense afectar en gran mesura al PPI dels usuaris.

Tenint en compte tot això, es pot fixar una temperatura per a les instal·lacions de climatització, sigui en calor o en fred? El Reglament d'Instal·lacions Tèrmiques als Edificis (RITE), en la seva revisió de l'any 2007, va mantenir com a condicions interiors de disseny els valors de temperatures i humitat relativa establerts en les versions anteriors:

 

Estació

Temperatura operativa  ° C

Humitat relativa %

Estiu

De 23 a 25

45 - 60

Hivern

De 21 a 23

40 - 50

 

 

Però va introduir un aclariment i va ser que aquests valors serien per a persones amb activitat metabòlica sedentària d'1,2 met, amb grau de vestimenta de 0,5 clo a l'estiu i 1 clo a l'hivern i un PPD d'entre el 10 i el 20 %.

Parlant de benestar tèrmic, i oblidant-nos de la instal·lació de climatització i pensant exclusivament en el nostre cos i en la necessitat d'estar en equilibri, què obliga a canviar la temperatura en un local entre l'estiu o l'hivern, si fem la mateixa activitat? L'única diferència és la roba que portem, que no és la mateixa a l'estiu que a l'hivern, ja que hem de sortir al carrer. Per això, el RITE indica que la instal·lació es mogui en un interval d'entre 21 i 25 °C quan l'activitat és d'1,2 met i el clo varia entre 0,5 i 1.

Si aquest local no tingués també que vèncer els guanys o pèrdues de calor pels seus tancaments i, en estar tancat i requerir aire exterior de ventilació a la temperatura del carrer, tots dos fets que obliguen a treballar en règim de calefacció o de refrigeració, la temperatura del local que el nostre benestar necessita seria la funció bàsica del nostre met i del nostre clo.

L'aclariment del RITE 2007 es va deure al fet que es considerava que aquests valors ho eren d'aplicació per a tot tipus d'edificis i locals, mentre que la realitat és que hem de diferenciar les distintes activitats que s'hi poden desenvolupar i actuar en conseqüència. Per exemple, no poden ser aquestes les condicions interiors d'una superfície comercial a l'hivern, on la gent entra amb abrics i manté una activitat dinàmica recorrent-la i carregant amb la compra, o d'una piscina climatitzada, on la temperatura ambient haurà d'estar 2 °C per sobre de la de l'aigua perquè en sortir mullats evaporem l'aigua amb menor sensació de fred. O què dir d'un gimnàs on, segons la pràctica esportiva, la temperatura de confort estarà sobre els 18 °C.

Ahorro energético en el hogar
Instalación solar térmica Hervidero de Cofrentes, Valencia