Conceptos Fundamentales del Confort Higrotérmico y la Transferencia de Energía en Edificaciones

Fundamentos del Confort y la Termorregulación Corporal

Confort Térmico: Condición mental que genera satisfacción con el entorno físico. El cuerpo se siente a temperatura adecuada con el entorno.

Dispersión Metabólica: Capacidad del cuerpo de perder calor a la velocidad adecuada, según la temperatura del entorno.

Mecanismos de Transferencia de Calor y Bienestar Higrotérmico

El bienestar higrotérmico se logra cuando el cuerpo pierde calor a la velocidad adecuada mediante la relación física con el entorno, involucrando los siguientes mecanismos:

• Radiación
• Convección
• Evapotranspiración

Mecanismos de Defensa del Cuerpo ante el Frío y el Calor

Respuesta al Frío:

• Piel de gallina
• Escalofríos
• Vasoconstricción
• Decrecimiento de la evaporación

Respuesta al Calor:

• Vasodilatación
• Sudor
• Jadeo
• Respiración acelerada

Factores del Bienestar Higrotérmico

Los factores clave que influyen en el bienestar son:

1. Humedad relativa
2. Movimiento del aire
3. Temperatura
4. Factores fisiológicos (MET y CLO)

Valores de Actividad y Vestimenta

• Valores MET: Tasa de productividad de calor según la actividad realizada.
• CLO: Cantidad de ropa que usamos.

Pérdida o Ganancia de Energía en la Envolvente

La energía se intercambia a través de:

• Conductividad
• Ventilación
• Radiación solar

Temperaturas Relevantes

Se distinguen varias mediciones de temperatura:

• Temperatura del aire: Bulbo seco.
• Temperaturas resultantes o efectivas: Combinación de bulbo seco, temperatura media radiante, humedad y velocidad del aire.

Balance Térmico y Propiedades de los Materiales

Balance Térmico General

El equilibrio energético se expresa como:

$$Q_c + Q_v + Q_s + Q_i + Q_e = 0$$

Donde:

• $Q_c$: Conducción
• $Q_v$: Ventilación
• $Q_s$: Radiación solar
• $Q_i$: Ganancias internas
• $Q_e$: Evaporación

Conductividad Térmica ($\lambda$)

Es el paso del calor en un cierto tiempo que fluye por el material. Cada material posee su propia conductividad ($\lambda$).

Resistencia Térmica (R)

Representa la oposición al paso de energía o calor que presentan los elementos constructivos (solo capa de material):

$$R = e / \lambda$$

Donde $e$ es el espesor en metros.

Valores de Resistencia para Elementos Constructivos (Ejemplo)

Para ejercicios, se consideran resistencias interior ($R_{si}$) y exterior ($R_{se}$):

• Muros: $R_{si} = 0.12$ / $R_{se} = 0.05$
• Pisos: $R_{si} = 0.09$ / $R_{se} = 0.05$
• Techos: $R_{si} = 0.17$ / $R_{se} = 0.05$

Resistencia Térmica Total ($R_t$)

Es la suma de las resistencias de cada capa, expresada en $\text{m}^2\cdot\text{K/W}$:

$$R_t = R_{si} + \sum (e/\lambda) + R_{se}$$

Se calcula sumando $e/\lambda$ por cada capa del muro. Mientras más alto sea el valor de $R_t$, mejor aísla el elemento.

Transmitancia Térmica (U)

Representa el flujo o paso de energía:

$$U = 1 / R_t$$

Mientras menor sea el valor de $U$, mejor aísla el elemento.

Resistencia y Transmitancia Térmica Ponderada

Para evaluar envolventes con estructura y aislamiento diferenciados:

1. Calcular $R_{t1}$ (Aislamiento): $R_{si} + \sum e/\lambda + R_{se}$ (sumatoria sin contar la estructura).
2. Calcular $R_{t2}$ (Estructura): $R_{si} + \sum e/\lambda + R_{se}$ (sumatoria sin contar el aislamiento).
3. Multiplicar cada resistencia por su porcentaje correspondiente.
4. $R_{t \text{ final}} = (R_{t1} \cdot \%_1) + (R_{t2} \cdot \%_2)$
5. Calcular el valor $U$ final: $U = 1 / R_{t \text{ final}}$.

Cálculo de la Demanda Energética

Las variables que inciden en la demanda son: clima, orientación, relación muros/ventanas (%), envolvente y condiciones de operación.

Coeficientes Volumétricos Globales

$GV_1$: Coeficiente Volumétrico Global de Transferencia de Calor ($\text{W/m}^3\text{K}$)

$$GV_1 = \frac{\sum (U \cdot S) + \sum (K_l \cdot P)}{V}$$

• $S$: Superficie (m²)
• $K_l$: Coeficiente U lineal (W/mK)
• $P$: Perímetro del piso (ml)
• $V$: Volumen de la vivienda (m³)

$GV_2$: Coeficiente Volumétrico Global de Pérdidas Térmicas ($\text{W/m}^3\text{K}$)

$$GV_2 = GV_1 + 0.35 \cdot n$$

• $n$: Renovaciones del aire ($\text{R/h}$)

Pérdidas de Energía

La energía perdida se calcula anualmente:

$$\text{PE} = \left[ \frac{GV_2 \cdot \text{Volumen} \cdot 24 \cdot \text{Grados del día}}{1000} \right] \text{ kWh/año}$$

Iluminación Natural y Geometría Solar

Iluminación Natural (D)

Se calcula como porcentaje de iluminación:

$$D = \frac{T \cdot A_w \cdot O}{A \cdot 2(1-R)} \quad \text{%}$$

• $T$: Transmitancia de luz difusa visible del acristalamiento.
• $A_w$: Área acristalada neta.
• $A$: Área total de las superficies (suelo, paredes, etc.).
• $R$: Reflectancia media (para salas con colores claros, valor $\approx 0.5$).
• $O$: Ángulo del cielo visible (en grados).

Geometría Solar

Describe el recorrido aparente del sol en el cielo y su localización a diferentes fechas y horas, permitiendo predecir su impacto en volúmenes espaciales según su ubicación relativa.

Ubicación Espacial

Nuestra ubicación define un plano horizontal y una superficie esférica denominada cielo local. La intersección de ambos es el círculo del horizonte.

Recorrido Solar

Varía a lo largo del año, modificando el lugar donde el sol nace y se pone, así como la duración de su permanencia sobre el horizonte y su altura máxima. Estos dos últimos son mayores en verano.

Solsticios

Momentos del año donde el sol alcanza su punto más alto o más bajo en el cielo y la duración del día. (Ejemplo: 21 de diciembre y 21 de junio).

Equinoccio

La duración del día y la noche es la misma en toda la Tierra porque el sol se encuentra sobre el ecuador. (Fechas: 21 de marzo y 21 de septiembre).

Cálculo de Sombreamiento

Los ángulos de azimut y altura son datos que deben extraerse del problema.

Sombreamiento Horizontal ($h$)

Se utiliza para proteger del sol alto, típicamente en fachadas al norte, mediante aleros:

$$h = D \cdot \tan(\text{alt solar}) / \cos(\text{azimut solar} - \text{ventana})$$

Sombreamiento Vertical ($W$)

Se usa para proteger fachadas cuando el sol está más bajo, como en fachadas orientadas al oriente y poniente, utilizando elementos como celosías o muros:

$$W = D \cdot \tan(\text{azimut solar} - \text{ventana})$$