ERE 01 - 21
EL EFECTO DE LA VENTILACIÓN EN LA SENSACIÓN DE CONFORT M. Arq. Víctor Fuentes Freixanet y Dr. Manuel Rodríguez Viqueira Universidad Autónoma Metropolitana, Azcapotzalco, CyAD. Departamento de Medio Ambiente. Laboratorio de Investigaciones en Arquitectura Bioclimática Tel-fax:5318 9572 E-mail:
[email protected]
RESUMEN El trabajo que se presenta pretende establecer la importancia de la ventilación natural como estrategia básica de climatización en la arquitectura bioclimática. El estudio se basa principalmente en las fórmulas de Fanger 1 para determinar el confort térmico por medio del PMV (Predicted Mean Vote), método adoptado por ASHRAE 2 . Pero también se hace referencia al método presentado por Aynsley 3 para estimar los requerimientos de ventilación en climas tropicales, así como la nueva fórmula de Wind Chill Index (índice de viento frío). Se hace un análisis de las principales fórmulas ampliamente reconocidas y se proponen algunas ecuaciones adicionales con el fin de simplificar o complementar los cálculos de ventilación con relación al confort.
Retomar los conceptos lógicos y naturales de ventilar los espacios no es por casualidad o moda, por una parte, el hombre se ha dado cuenta de los grandes beneficios de ventilar naturalmente en términos de salud, bienestar y confort. Pero también por los grandes ahorros energéticos que se consiguen al evitar o reducir la ventilación mecánica y los sistemas artificiales de acondicionamiento del aire. Si bien es cierto que en las grandes urbes la calidad del aire es cuestionable para ser utilizado directamente, existen aún muchos lugares en donde la aplicación de la ventilación natural es posible, deseable y necesaria. Es de hecho una de las principales estrategias de climatización natural con las que cuenta la arquitectura bioclimática.
ABSTRACT
MODELOS DE CONFORT TÉRMICO
This work surveys the importance of natural ventilation as a basic strategy of natural air conditioning in bioclimatic architecture. The study is mainly based on Fanger’s equation to determine the thermal comfort from PMV (Predicted Mean Vote), adopted method by ASHRAE. In addition, the new concepts of ventilation requirements for tropical places, as the one presented by Aynsley is presented. As well as the new formula of Wind Chill Index. The main well-known formulas are analyzed, and some additional equations are proposed in order to simplify or complement the calculus about ventilation and comfort.
Cuando se habla de confort térmico es necesario considerar las relaciones que existen entre el medio ambiente térmico y las sensaciones fisiológicas y psicológicas que experimentan las personas frente las condiciones impuestas por ese ambiente. Los estudios de estas relaciones se han desarrollado bajo dos enfoques distintos: •
A partir modelos de balance térmico del cuerpo. Este método de cálculo se basa en el confort térmico en estado estable, obtenido a partir de investigaciones en cámaras climáticas de ambiente controlado. Es decir que estos estudios se basan, de manera preponderante, en las respuestas fisiológicas del organismo.
•
A partir de modelos de adaptación. Los cuales se derivan de estudios “en campo” es decir en condiciones reales y en relación al confort térmico de estado estable. Este método asume que la gente se adapta o trata de adaptarse a las condiciones térmicas modificando su comportamiento o las condicionantes ambientales inmediatas; es decir que hace ajustes en su arropamiento, postura, horario de actividades, niveles de actividad, dieta, bebidas, ventilando, etc. Además de ajustes psicológicos inconscientes. La tabla 1 muestra algunas de las acciones de adaptación y sus efectos en términos de los parámetros determinantes del confort.
Palabras clave: Ventilación natural, Confort térmico, Arquitectura Bioclimática
INTRODUCCIÓN Si bien la importancia de la ventilación ha sido abordada desde los tratadistas de la antigüedad como los son Vitrubio y Palladio, la ventilación natural se ha visto relegada desde la aparición de los sistemas artificiales de climatización y ventilación mecánica. Sin embargo, en la actualidad el uso de la ventilación natural esta volviendo a figurar con gran importancia en el ámbito arquitectónico, desde los géneros habitacionales, industriales, comerciales, hasta aquellos edificios de grandes alturas o rascacielos, incluyendo a los llamados edificios inteligentes.
En ambos modelos el movimiento de aire o la ventilación es un factor importante en la percepción de confort. 1
Fanger, P.O. Termal Comfort, Kreiger Florida, USA 1982 ASHRAE Handbook Fundamentals. 2001 3 Aynsley, Richard. Unresolved issues in Natural Ventilation for Thermal Comfort. The Australian Institute of tropical Architecture. James Cook University. Queensland Australia 2
H E Cres Eres
Tabla 1. Efectos de distintos comportamientos de adaptación sobre las temperaturas óptimas de confort 4
Comportamiento
Efecto
Quitarse o ponerse una chamarra o saco Usar ropa holgada o ajustada Quitarse la corbata y desabotonar la camisa Cambiar tipo de silla de oficina Permanecer sentado o caminar alrededor Nivel de estrés
Cambio de arropamiento ± 0.35 Clo Cambio de arropamiento ± 0.26 Clo Cambio en arropamiento ± 0.13 Clo. Cambio en arropamiento ± 0.05 Clo. Variación en metabolismo ± 0.4 Met Variación en metabolismo ± 0.3 Met Variación en metabolismo ± 0.1 Met Variación en metabolismo ± 10% Met Variación en metabolismo - 0.12 Met Variación en metabolismo +0.12 Met Variación en velocidad del aire + 2.0 m/s Variación en velocidad del aire + 1.0 m/s Variación en velocidad del aire + 0.5 m/s
Vigor en las actividades Diferentes posturas Consumir bebidas frías Consumir bebidas o alimentos calientes Encender un ventilador de mesa Encender un ventilador de techo Abrir una ventana
Comp. ± 2.2K ± 1.7K ± 0.8K ± 0.3K
En esta formula intervienen varios factores a veces difíciles de estimar, por lo que de manera simplificada, se puede asumir que para un arropamiento de 1 clo, con una actividad metabólica de 1 Met (58.2 W/m2), con una velocidad de viento de 0.13 m/s, y con una presión barométrica de 1013 hPa, y así se puede estimar con relativa precisión el PMV teniendo como variables únicamente la Temperatura y la Humedad Relativa, de acuerdo a la siguiente fórmula estadística 6 :
± 3.4K
PMV = ((1.362135869*10-6)T3 – (3.1031221*10-8)T2 + 0.001191847633229 T + 0.01126350951371) * ((0.1HR)+1) + (0.00000401T3 - 0.0000451T2 + 0.24709914T - 6.27580002)
± 2.6K ± 0.9K ± 0.9K
= Pérdidas de calor seco = Intercambio de calor evaporativo de la piel (W/m2) = Intercambio calor convectivo respiratorio (W/m2) = Intercambio evaporativo respiratorio (W/m2)
donde: PMV = Voto Medio Pronosticado T = Temperatura (°C) HR = Humedad Relativa (%)
+ 0.9K Tabla 2. PMV para diferentes temperaturas y humedades de acuerdo a la fórmula estadística.
- 0.9K + 2.8K
T (°C)
+ 2.2K + 1.1K
Modelo de Balance Térmico La ecuación de confort de Fanger involucra términos relacionados con: Variables ambientales: Temperatura del aire Temperatura radiante media Velocidad relativa del aire Presión de vapor del agua Variables fisiológicas: Calor metabólico producido (interno) Energía metabólica producida (trabajo externo) Temperatura superficial de la piel Sudoración Intercambio de calor evaporativo y convectivo a través de la respiración Pérdidas de calor seco del cuerpo por radiación, convección y conducción Arropamiento: Grado de aislamiento de la ropa (flujo conductivo a través de la ropa) Relación entre área arropada y área superficial desnuda Temperatura superficial de la ropa
Humedad Relativa (%) 30
40
50
60
70
80
90
15
-2.43
-2.40
-2.36
-2.33
-2.30
-2.26
-2.23
16
-2.17
-2.14
-2.10
-2.07
-2.03
-1.99
-1.96
17
-1.92
-1.88
-1.84
-1.80
-1.76
-1.72
-1.69
18
-1.66
-1.62
-1.58
-1.53
-1.49
-1.45
-1.41
19
-1.40
-1.35
-1.31
-1.27
-1.22
-1.18
-1.14
20
-1.14
-1.09
-1.04
-1.00
-0.95
-0.91
-0.86
21
-0.87
-0.83
-0.78
-0.73
-0.68
-0.63
-0.58
22
-0.61
-0.56
-0.51
-0.45
-0.40
-0.35
-0.30
23
-0.35
-0.29
-0.24
-0.18
-0.13
-0.07
-0.02
24
-0.08
-0.02
0.04
0.09
0.15
0.21
0.27
25
0.19
0.25
0.31
0.37
0.43
0.50
0.56
26
0.45
0.52
0.59
0.65
0.72
0.78
0.85
27
0.72
0.79
0.86
0.93
1.00
1.07
1.14
28
0.99
1.07
1.14
1.22
1.29
1.37
1.44
29
1.27
1.35
1.42
1.50
1.58
1.66
1.74
30
1.54
1.62
1.71
1.79
1.88
1.96
2.04
31
1.82
1.90
1.99
2.08
2.17
2.26
2.35
32
2.09
2.19
2.28
2.37
2.47
2.56
2.66
33
2.37
2.47
2.57
2.67
2.77
2.87
2.97
34
2.65
2.76
2.86
2.97
3.07
3.18
3.28
35
2.93
3.05
3.16
3.27
3.38
3.49
3.60
La fórmula de confort para determinar PMV es 5 : PMV= (0.303 e-0.036M + 0.028)* [(M-W)-H-Ec-Cres-Eres]
36
3.22
3.34
3.45
3.57
3.69
3.81
3.93
37
3.51
3.63
3.75
3.88
4.00
4.13
4.25
donde: PMV = Voto medio pronosticado M = Tasa metabólica (W/m2) W = Energía mecánica efectiva (trabajo) (W/m2)
38
3.79
3.93
4.06
4.19
4.32
4.45
4.58
39
4.08
4.22
4.36
4.50
4.64
4.78
4.92
40
4.38
4.52
4.67
4.82
4.96
5.11
5.25
4
Oseland, N. Adaptive Thermal Comfort Models, BRE, Building Services Journal, Dec 1998 5 Thermal Comfort.Brüel & Kjær Innova Denmark
6
Fórmula desarrollada por Víctor Fuentes Freixanet para este trabajo
El PMV se relaciona con la siguiente escala de sensación térmica: -3 frío
-2 fresco
-1 fresco ligero
0 neutro
+1 caluroso ligero
+2 caluroso
+3 cálido
El porcentaje pronosticado de insatisfacción se estima mediante 7 : PPD = 100 -95 e –(0.03353 PMV∧4 + 0.2179 PMV∧2) donde: PPD = Predicted Percentage of Dissatisfied (%) PMV = Predicted Mean Vote
velocidad de 0.13 es la velocidad mínima que considera casi únicamente los movimientos de la persona. En los cálculos de confort difícilmente podría considerarse una velocidad de aire igual a cero, ya que significaría considerar a un ocupante inmóvil. El viento tiene un gran efecto en la percepción de confort. Por un lado debido al enfriamiento evaporativo (principalmente por la evaporación del sudor) y por otro, debido a las pérdidas convectivas que se presentan en cuerpo al paso del aire por su superficie. En la fórmula de PMV, las pérdidas por convección debidas al flujo de aire están incluido en las “pérdidas de calor seco” (H), factor que incluye las pérdidas (o ganancias), por radiación conducción y convección. El cálculo de estas pérdidas se complica cuando se considera que el cuerpo de las personas está arropado, ya que habrá de calcular la superficie corporal total, y descontar la parte arropada.
Tabla 3. PPD para diferentes temperaturas y humedades de acuerdo a la fórmula estadística de PMV T (°C)
T
Humedad Relativa (%) 30
40
50
60
70
80
90
15
91.9
91.0
90.1
89.2
88.1
87.1
85.9
16
84.0
82.6
81.1
79.7
78.1
76.5
74.8
17
72.8
70.9
69.0
67.1
65.1
63.1
61.0
18
59.4
57.2
55.0
52.8
50.6
48.4
19
45.3
43.1
40.8
38.6
36.4
20
32.2
30.1
28.0
26.0
21
21.1
19.4
17.7
22
12.8
11.5
23
7.5
24
(°C)
Velocidad de viento (m/s) 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
15
-2.28
-3.11
-3.52
-3.75
-3.91
-4.03
-4.12
16
-2.01
-2.81
-3.19
-3.41
-3.56
-3.67
-3.76
17
-1.74
-2.51
-2.87
-3.07
-3.22
-3.32
-3.40
46.2
18
-1.47
-2.20
-2.54
-2.73
-2.87
-2.97
-3.04
34.3
32.2
19
-1.21
-1.90
-2.21
-2.39
-2.52
-2.61
-2.68
24.1
22.3
20.6
20
-0.93
-1.59
-1.88
-2.05
-2.17
-2.25
-2.32
16.1
14.7
13.3
12.1
21
-0.66
-1.28
-1.55
-1.71
-1.81
-1.90
-1.96
10.4
9.3
8.4
7.6
6.9
22
-0.39
-0.97
-1.22
-1.36
-1.46
-1.54
-1.60
6.8
6.2
5.7
5.3
5.1
5.0
23
-0.12
-0.66
-0.89
-1.02
-1.11
-1.18
-1.23
5.1
5.0
5.0
5.2
5.5
5.9
6.5
24
0.15
-0.35
-0.55
-0.67
-0.75
-0.81
-0.87
25
5.7
6.3
7.0
7.9
8.9
10.2
11.6
25
0.42
-0.03
-0.22
-0.33
-0.40
-0.45
-0.50
26
9.3
10.6
12.2
13.9
15.9
18.0
20.3
26
0.70
0.28
0.12
0.02
-0.04
-0.09
-0.13
27
16.0
18.3
20.7
23.4
26.3
29.3
32.6
27
0.97
0.60
0.46
0.37
0.32
0.27
0.24
28
25.9
29.1
32.5
36.1
39.8
43.7
47.7
28
1.24
0.92
0.80
0.72
0.68
0.64
0.61
29
38.5
42.6
46.8
51.1
55.4
59.7
63.9
29
1.52
1.24
1.14
1.08
1.04
1.01
0.98
30
53.1
57.6
62.2
66.6
70.8
74.9
78.6
30
1.79
1.56
1.48
1.43
1.40
1.37
1.36
31
67.8
72.3
76.4
80.3
83.8
87.0
89.7
31
2.07
1.89
1.82
1.79
1.76
1.74
1.73
32
80.8
84.4
87.7
90.4
92.8
94.7
96.2
32
2.34
2.21
2.17
2.15
2.13
2.12
2.11
33
90.3
92.8
94.8
96.3
97.5
98.4
99.0
33
2.61
2.54
2.52
2.50
2.50
2.49
2.48
34
96.1
97.4
98.3
99.0
99.4
99.7
99.8
34
2.87
2.87
2.86
2.86
2.86
2.86
2.86
35
98.8
99.3
99.6
99.8
99.9
100.0
100.0
35
3.13
3.20
3.22
3.23
3.23
3.24
3.24
36
99.7
99.9
99.9
100.0
100.0
100.0
100.0
36
3.41
3.53
3.57
3.59
3.61
3.62
3.63
37
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
37
3.69
3.86
3.92
3.96
3.98
4.00
4.01
38
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
38
3.98
4.20
4.28
4.32
4.36
4.38
4.40
39
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
39
4.27
4.54
4.64
4.69
4.73
4.76
4.78
40
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
40
4.57
4.88
5.00
5.07
5.11
5.14
5.17
Para la estimación de PMV y PPD, las formulas anteriores usan como valores constantes, entre otros, la velocidad del viento, usando como valor 0.13 m/s. En estos cálculos de confort se debe tomar en cuenta la velocidad relativa media del aire, es decir, la velocidad relativa del aire con respecto al ocupante, la cual incluye los movimientos corporales. Esto significa que una 7
Tabla 4. PMV para diferentes velocidades del viento
Thermal Comfort. Innova, ibid.
Además, también se debe considerar la temperatura superficial de la piel, la resistencia térmica de la ropa y la temperatura superficial de la ropa; así como los coeficientes radiativos conductivos y convectivos. Considerando un grado de arropamiento de 1 clo una actividad metabólica de 1 met y una humedad relativa de 50%, los valores de PMV en función de la velocidad del viento son los mostrados en la tabla 4.
Como se puede observar el la figura 1, el efecto del viento es más significativo a velocidades relativamente bajas; menores a 1.5 m/s. ya que, por ejemplo, la variación del PMV entre una velocidad 2.5 y 3 m/s es menor que la que se da en el intervalo entre 0 y 0.5.
Tabla 5. Temperaturas en relación a la velocidad del viento para tres valores de PMV PMV
Velocidades del viento
-1.5
17.95 20.31 21.17 21.62 21.90 22.11 22.27
0
23.49 25.09 25.63 25.92 26.10 26.23 26.33
+1.5
28.95 29.77 30.02 30.16 30.24 30.30 30.35
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Es importante hacer notar que el efecto de la velocidad del viento es casi nulo a una temperatura de 34 °C que representa la temperatura superficial de la piel, con los factores predeterminados de 1 clo, 1met y 50% HR, temperatura a partir de la cual se invierte el efecto del viento. Es decir que a temperaturas menores a 34 °C el efecto es de enfriamiento, mientras que a temperaturas mayores el efecto es de calentamiento.
Fig. 1 Relación de temperatura y velocidad del viento para PMV entre -1.5 y 1.5
35
Fig. 3 PMV en función de la temperatura y ventilación
PMV =+ 1.5
30
PMV
Temperatura (ºC)
0
El efecto del viento es más significativo en climas fríos y cálidos ya que la influencia del viento aumenta con la diferencia de temperatura entre la superficie del cuerpo y la del aire. Por ejemplo se puede apreciar que existe una diferencia de -3.19 puntos de PMV para una temperatura de cero grados centígrados entre una velocidad de viento de 0 m/s y 3.0 m/s. Así mismo la diferencia entre el mismo rango (0 y 3 m/s) a una temperatura de 45 °C es de 1.02 puntos de PMV.
PMV = 0
25 PMV = - 1.5
6.00
4.00
20 15
2.00
10
0.00
5
0.5 m/s 0 m/s
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
-2.00
3
1.0 m/s
Velocidad del viento (m/s)
3.0 m/s
-4.00
-6.00
Sin embargo si se comparan las diferencias del PMV de cada velocidad con respecto al PMV de la velocidad cero, se puede apreciar que la variación de PMV en función del viento se da en dos sentidos (ver gráfica 2):
15
20
25
30
35
40
Temperatura (°C)
La figura 3 muestra el PMV para diferentes velocidades de viento en función de la temperatura. Como se puede apreciar la variación de PMV con respecto a la temperatura sigue una función casi lineal.
Fig 2. Dife re ncia de puntos de PM V por e fe cto de la ve locidad de l vie nto e n función de la te m pe ratura de l aire
EFECTO DEL VIENTO EN CLIMAS FRÍOS 1.50 45°C 1.00 40°C 0.50 35°C 0.00 30°C
- 0.50
25°C
- 1.00 - 1.50
20°C
- 2.00
15°C
- 2.50
10°C
- 3.00
5°C
En condiciones de baja temperatura el efecto de viento es un factor importante en la percepción ambiental. Ya que el viento arrastra el calor del cuerpo debido al proceso de convección. Es decir que, si la temperatura del aire es baja, con la presencia de viento nuestra percepción será aún más baja. El índice de viento frío muestra el efecto de enfriamiento del viento en combinación con la temperatura del aire, pero de alguna manera también trata de cuantificar la sensación que tenemos de esas condiciones particulares. Actualmente se cuenta con una “nueva fórmula para el cálculo de índice de viento frío” 8 , ésta es: W = 13.12 + 0.6215 T – 11.37 v0.16 + 0.3965 T v0.16
0°C
- 3.50 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Ve l o c i d a d d e l v i e n t o ( m / s)
8
Environment Canada’s Wind Chill Program. Environment Canada’s World Wide Web Site. Canada
temperatura del aire. Por ejemplo, para un viento a 1 m/s el efecto de viento frío empieza cuando la temperatura desciende por abajo de 7.73 °C; mientras que para una velocidad de 3 m/s éste umbral se encuentra en 17.44 °C
donde: W = Índice de viento frío (Wind chill index) T = Temperatura del aire (°C) v = Velocidad del viento (Km/h)
EFECTO DEL VIENTO EN CLIMAS CÁLIDO HÚMEDOS De acuerdo con MacFarlane 9 (1958) la temperatura de la zona de confort térmico disminuye 0.8°C por cada 10% de incremento en la humedad relativa cuando ésta es superior al 60%, es decir:
Tabla 6. Índice de Viento Frío (W) T (°C) 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15
Velocidad del viento (m/s) 1 1.5 2 2.5 3 4.7 3.9 3.4 2.9 2.5 3.6 2.8 2.2 1.7 1.3 2.5 1.7 1.0 0.5 0.1 1.4 0.5 -0.1 -0.7 -1.1 0.3 -0.6 -1.3 -1.9 -2.3 -0.8 -1.8 -2.5 -3.0 -3.5 -1.9 -2.9 -3.6 -4.2 -4.7 -3.1 -4.1 -4.8 -5.4 -5.9 -4.2 -5.2 -6.0 -6.6 -7.1 -5.3 -6.3 -7.1 -7.8 -8.3 -6.4 -7.5 -8.3 -9.0 -9.5 -7.5 -8.6 -9.5 -10.2 -10.7 -8.6 -9.8 -10.6 -11.3 -11.9 -9.7 -10.9 -11.8 -12.5 -13.1 -10.8 -12.0 -13.0 -13.7 -14.3 -11.9 -13.2 -14.1 -14.9 -15.5 -13.0 -14.3 -15.3 -16.1 -16.7 -14.1 -15.5 -16.5 -17.3 -17.9 -15.2 -16.6 -17.6 -18.4 -19.1 -16.4 -17.7 -18.8 -19.6 -20.3 -17.5 -18.9 -20.0 -20.8 -21.5
dT = 0.8 ((HR-60)/10) Mientras que la zona de confort probablemente se amplia 0.55 °C por cada 0.15 m/s de ventilación, para velocidades hasta de 1 m/s y una temperatura hasta 37 °C. Es decir: dT = 0.55 (v / 0.15) En 1997 ASHRAE 10 ajustó esta fórmula hasta 2.2 m/s quedando de la siguiente forma: dT = 0.55 ((v – 0.2) / 0.15) Con base en estos antecedentes R. Aynsley 11 establece que la velocidad del viento necesaria para restablecer el confort en climas cálidos húmedos se puede estimar mediante la siguiente ecuación: v= 0.15 [ T – 27.2 + 0.56(HR -60) / 10] donde: v = velocidad del viento (m/s) T = Temperatura del aire (°C) HR = Humedad relativa (%)
Como se puede apreciar, Aynsley limita la utilización su la fórmula en 27.2 °C de temperatura. Debido a que el requerimiento de ventilación se establece a partir del límite máximo de confort, es conveniente sustituir 27.2 por dicho límite; de tal forma que:
El riesgo de congelación se presenta cuando el índice de viento frío (W) es menor a 25.
Temperatura (°C)
Fig. 4 Efecto del Viento Frío 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
v= 0.15 [ T – ZCmax + 0.56(HR -60) / 10] donde: ZCmax = Límite máximo de confort
La zona de confort puede establecerse a partir de la fórmula de Auliciem 12 ; Tn = 17.6 + 0.31 Tm W=T
donde: Tn = Temperatura Neutra (°C) T = Temperatura media (°C)
De tal forma que el límite máximo de confort ZCmax será: Efecto del viento frío
ZCmax = Tn + 2
W=0
1
1.5
2
2.5
3
Velocidad del viento (m/s)
El efecto de enfriamiento debido al viento se presenta siempre que el viento esté por debajo de la temperatura de la piel, es decir entre 34 y 35 °C. Sin embargo de acuerdo a esta nueva fórmula del índice de viento frío, el efecto nocivo del viento de presenta a partir de un umbral que está en función de la velocidad del viento. Dicho límite se define a partir de cuando el índice W es igual a la
9
McKenna Michael . Motion effects. The Department of Architecture RMIT University. ESD seminar 2001. 10 ASHRAE Handbook. Fundamentals 1997. Cf. Aynsley, Richard. Microclimate and Urban Planning in the Humid Tropics. Australian Institute of Tropical Architecture. James Cook University. Townsville, Q. Australia , 1999 11 Aynsley, Richard. Unresolved issues in Natural Ventilation for Thermal Comfort. The Australian Institute of tropical Architecture. James Cook University. Queensland Australia 12 Auliciems and Szokolay. Thermal Comfort. PLEA – The University of Queensland. Dept. of Architecture, Queensland. Australia. 1997
dT = 6 * (v - 0.2) – (v -0.2)2 Por lo que la efectividad de la ventilación para 1.5 m/s es de 6.1 K. valor que debe ser agregado al límite superior de la zona de confort al 50% de HR. Lv(50%) = ZCmax + 6.1 donde: Lv(50%) = Temperatura límite de efectividad de ventilación (1.5 m/s) a 50% de HR (°C) = *ET límite
Para definir el límite de la estrategia de ventilación en la carta psicrométrica (para humedades superiores al 50%), Szokolay toma como máximo la velocidad del viento de 1.5 m/s. Este límite se ubica sobre la misma línea, y pendiente, de la Nueva Temperatura Efectiva (*ET), correspondiente a la temperatura encontrada al sumar 6.1 a la temperatura máxima de confort, sobre la curva de 50% de HR. Para definir la línea de Temperatura Efectiva (*ET), Szokolay propone seguir el siguiente procedimiento: La Temperatura Efectiva (*ET), coincide con la Temperatura de Bulbo Seco (TBS) en la línea de 50% HR. La línea de *ET tendrá una pendiente (inclinación) especifica de acuerdo a la temperatura que se trate, e intersectará a la línea base de la carta psicrométrica (HA = 0 g/kg) en el punto correspondiente a la temperatura TBS resultante de acuerdo a la siguiente ecuación: dT = 0.023 * (T – 14) * HAt (50%) donde: T = Temperatura (°C) HA = Humedad absoluta para T y 50% de HR. (g/Kg)
De tal forma el punto de intersección será igual a: punto de intersección = T + dT La línea limite de la efectividad de ventilación a 1.5 m/s seguirá la misma pendiente de *ET cuando la HR es mayor a 50% pero para HR menores la pendiente cambia. Esta línea se obtiene uniendo el punto L(50%) con el punto de intersección T + 0.5 dT. La efectividad de la ventilación queda limitada en HA = 4 g/kg y en la curva de 90% de HR. La figura 5 muestra los límites de efectividad de la ventilación a 1.5 m/s para distintas Temperaturas Neutras (Tn), según la fórmula de Auliciem, y de acuerdo a los criterios establecidos por Szokolay de utilizar la línea *ET para humedades relativas mayores a 50% La temperatura límite (TL) para 1.5 m/s en función de HR se puede obtener mediante 14 : TL = ((0.00000099722 HR2) (-12.199+Tn) (0.8844+Tn)) – (0.00017506 HR (-9.74621+Tn) (24.04072+Tn)) + (0.0062146654 (5.4209+Tn) (180.36666+Tn)) 13
Docherty and Szokolay. Climate Analysis. PLEA – The University of Queensland. Dept. of Architecture, Queensland. Australia. 1999 p35 14 Fórmula desarrollada por Víctor Fuentes Freixanet para este trabajo
Fig. 5 Límite de Efectividad de la Ventilación Natural (1.5 m/s) Para diversas temperaturas neutras
Temperatura (°C)
Aplicando la fórmula de MacFarlane para ventilación se obtiene que la efectividad de la ventilación a 1.5 m/s es de 4.77 K por arriba del límite de confort. Sin embargo S. Szokolay menciona que “el movimiento del aire sobre la superficie de cuerpo tiene un efecto de enfriamiento aún cuando el aire sea más caliente que la piel, debido a la aceleración del la evaporación del sudor y difusión de la humedad” 13 . Así mismo establece que el efecto de enfriamiento del viento se puede definir mediante:
37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22
Tn=28 Tn=26 Tn=24 Tn=22 Tn=20 Tn=18 50
60
70
80
90
100
Humedad Relativa (%)
CONCLUSIONES La ventilación natural es sin duda una de las principales estrategias de climatización pasiva, sin embargo al tratarse de un elemento climático variable, es necesario entender adecuadamente su comportamiento en las edificaciones y tener definidos sus límites de aplicación y posibles efectos sobre los usuarios. Las fórmulas aquí presentadas contribuyen al entendimiento y manejo de la ventilación en las edificaciones. Recordemos que la ventilación natural se debe limitar principalmente en los siguientes casos: Cuando el viento es muy frío. En general cuando la temperatura del aire está por debajo de la zona de confort. Pero con especial cuidado cuando se presenta el efecto de “viento frío”. Cuando es muy cálido. Generalmente cuando la temperatura del aire se encuentra por arriba de la temperatura superficial del cuerpo, aproximadamente arriba de 34 °C. Cuando es muy fuerte. Es decir cuando el viento se presenta con velocidades superiores a 1.5 m/s (Umbral de velocidad para espacios interiores). Cuando el aire está contaminado. Ya sea por humo, gases peligrosos, partículas suspendidas u olores desagradables.
REFERENCIAS • Aynsley, Richard. Unresolved issues in Natural Ventilation for Thermal Comfort. TAITA. James Cook University. Queensland, Australia. • Aynsley, Richard. Microclimate and Urban Planning in the Humid TAITA. James Cook University. Townsville, Queensland, Australia , 1999 • ASHRAE Handbook Fundamentals. 2001, Atlanta. USA. • Environment Canada’s Wind Chill Program. Environment Canada’s World Wide Web Site. Canada • Fanger, P.O. Termal Comfort, Kreiger Florida, USA 1982 • Fuentes Freixanet, Víctor. Fórmulas básicas para cálculos de ventilación natural. Publicado en Rodríguez, M., Estudios de Arquitectura Bioclimática Anuario 2002. Vol IV. UAM – Limusa 2002 • Oseland, N. Adaptive Thermal Comfort Models, BRE, Building Services Journal, Dec 1998 • Thermal Comfort. Brüel & Kjær Innova Denmark
