13
Agosto
2019

Confort térmico y cuerpo humano

Para funcionar de manera adecuada, el cuerpo humano debe mantener en su núcleo interno una temperatura próxima a los 37°C, independientemente de las condiciones ambientales de su entorno. Cuando una persona es capaz de conservar esa temperatura sin algún tipo de esfuerzo fisiológico es muy posible que se encuentre en un estado conocido como confort térmico, el cual expresa su satisfacción respecto a dichas condiciones.

En realidad el estado de confort térmico, por su propia naturaleza, suele pasar inadvertido. Es mucho más fácil tomar conciencia del momento en que pasamos al estado contrario, es decir, la sensación de disconfort térmico. El disconfort térmico suele ser provocado por la incidencia negativa de factores relacionados tanto con el propio cuerpo como con su entorno. Cuando se presenta de manera ocasional y moderada simplemente genera incomodidad en las personas, pero cuando se presenta de manera constante y/o intensa puede alterar los ciclos de actividad y descanso, reducir la eficiencia en el desempeño cotidiano e incluso provocar importantes trastornos de salud.

En los siguientes apartados haremos un análisis general de los principales factores que inciden en el confort humano, y de los mecanismos que se ponen en juego cuando las condiciones ambientales resultan desfavorables. Entre ellos se encuentran la producción de calor en el cuerpo humano, el equilibrio térmico, la vestimenta y las variables subjetivas del confort.


Producción de calor en el cuerpo humano

El cuerpo humano necesita energía de manera constante para efectuar los procesos bioquímicos que acompañan la formación de tejidos, el trabajo muscular y la transmisión de señales nerviosas, entre otras muchas funciones fisiológicas. Como es sabido, prácticamente toda la energía la obtenemos de los alimentos que consumimos. Sin embargo, de la energía que produce, el cuerpo humano solo emplea aproximadamente el 20% en las funciones fisiológicas. El restante 80% de la energía debe disiparse en forma de calor al ambiente.

Se conoce como metabolismo a los procesos encargados de convertir los alimentos en energía útil. Al calor generado por estos procesos se le denomina calor metabólico. La producción global de calor metabólico se deriva tanto del metabolismo basal como del metabolismo muscular. El primero está relacionado con la energía empleada en las reacciones químicas intracelulares para la realización de las funciones metabólicas esenciales, como la respiración y la digestión. En otras palabras, representa la producción de calor en los procesos automáticos, continuos e inconscientes del cuerpo humano. El metabolismo muscular, por otro lado, se relaciona con la producción de calor en los tejidos musculares mientras se lleva a cabo algún tipo de actividad física.

Las tasas de producción de calor excedente del cuerpo humano se suelen medir mediante la unidad Met, que equivale a 58 watts por metro cuadrado de piel (W/m2). Un Met representa el nivel de actividad de una persona en reposo. Nuestro metabolismo generalmente se reduce al mínimo cuando dormimos, produciendo apenas 0.7 Met, pero puede sobrepasar los 10 Met cuando realizamos actividades físicas muy intensas.

En lugar del Met, en algunos ámbitos se emplean tasas de producción de calor en watts por persona (W/persona), parámetro basado en un hombre adulto promedio con una superficie de piel de 1.8 m2. En ese caso, para representar las variaciones en la producción de calor de acuerdo con la constitución física de las personas se suele utilizar otro parámetro, denominado factor metabólico. Un factor metabólico de 1.00 corresponde al promedio indicado líneas arriba, es decir, un hombre adulto cuya piel tiene una superficie de 1.80 m2. Para una mujer promedio se suele asumir un factor de 0.85, mientras que para un niño promedio generalmente se considera un factor de 0.75.

La producción de calor del cuerpo humano varía sobre todo debido a sus índices de metabolismo basal y a las actividades que realiza, es decir, al metabolismo muscular. La Tabla 1 muestra las tasas de calor excedente para algunas actividades típicas, en watts por metro cuadrado de piel, Met, y watts por persona.

Tabla 1. Tasas de calor metabólico excedente de acuerdo con el nivel de actividad.

Tasas Metabolicas Actividad

Estas tasas de generación de calor excedente no solo son útiles para evaluar los requerimientos de confort de las personas, de acuerdo con las actividades que realizan, sino también para estimar el calor que dichas personas aportan al espacio en que se encuentran. Por ello se suelen emplear en las simulaciones energéticas de edificios.


Equilibrio térmico y procesos de pérdidas/ganancias

Para mantener el confort, el cuerpo humano debe disipar el calor metabólico excedente hacia el ambiente, pero solo hasta lograr el equilibrio térmico. En otras palabras, las ganancias de calor internas del cuerpo deben ser equivalentes al calor que pierde hacia el exterior. Como veremos más adelante, cuando se rompe ese equilibrio, debido al metabolismo del cuerpo, las condiciones del ambiente, o ambos factores al mismo tiempo, es relativamente fácil llegar al estado conocido como disconfort térmico. Pero antes analicemos los principales procesos físicos que permiten o impiden alcanzar dicho equilibrio.

Al interactuar con el medio ambiente, el cuerpo humano puede perder o ganar calor por medio de procesos convectivos, radiantes y, en menor medida, conductivos. La evaporación también puede jugar un papel importante, pero en este caso sólo genera pérdidas de calor. La intensidad de estos procesos, y por lo tanto los índices de pérdidas y ganancias, dependen en gran medida de las condiciones ambientales particulares:

Convección. La convección es básicamente la transmisión de calor entre un fluido (líquido o gaseoso) y un cuerpo sólido. Este fenómeno se ve favorecido por el movimiento del fluido, el cual a su vez resulta de las diferencias en sus temperaturas internas y las consiguientes diferencias en su densidad. Por ejemplo, cuando la temperatura del aire es inferior a la temperatura de la piel, esta tiende a transmitir calor hacia las moléculas de aire con las que está en contacto. Si el aire se encuentra en movimiento, las moléculas que han absorbido calor son desplazadas fácilmente por moléculas más frías. Así, mientras más rápido sea el movimiento del aire y más baja su temperatura, más calor perderá el cuerpo humano. Sin embargo, cuando la temperatura del aire es muy elevada este mismo proceso puede provocar ganancias en lugar de pérdidas de calor, especialmente si la evaporación no es capaz de compensar el fenómeno (ver abajo).

Radiación. La radiación es un flujo de energía en forma de ondas electromagnéticas que no requiere de un medio conductor (se puede dar incluso en el vacío absoluto). Tanto el cuerpo humano como los elementos del entorno, incluyendo los componentes constructivos de un edificio, emiten energía radiante. Cuando la temperatura de la piel es superior a la temperatura radiante de los objetos circundantes entonces se dan pérdidas de calor. Cuando, al contrario, los objetos circundantes tienen una temperatura más elevada, el cuerpo tiende a ganar calor.

Conducción. La conducción expresa la transmisión de calor al interior de un cuerpo sólido, o entre dos cuerpos sólidos cuando estos se encuentran en contacto. Como en el caso de la radiación, el cuerpo humano puede perder o ganar calor cuando está en contacto con un objeto o componente de la edificación, dependiendo de la diferencia de temperaturas entre ambos. Por ejemplo, si el suelo tiene una temperatura superficial muy baja, las personas pueden perder calor a través de los pies, especialmente si llevan calzado ligero o están descalzas.

Evaporación. La evaporación es un fenómeno mediante el cual un líquido se convierte en gas. Dicha conversión requiere una determinada cantidad de energía calorífica, que es tomada del entorno inmediato. En el cuerpo humano este fenómeno se presenta en la piel, cuando el sudor se evapora, así como a través de la respiración. La cantidad de calor que se puede perder por este fenómeno varía de acuerdo con la tasa de evaporación, la cual a su vez es afectada por la humedad ambiental: mientras más seco es el aire, más eficientes son los procesos evaporativos (debido a que es capaz de admitir más vapor de agua). Por otro lado es importante considerar que el movimiento del aire favorece la evaporación, incluso cuando la humedad ambiental es relativamente alta, ya que ayuda a desplazar la delgada y húmeda capa de aire que tiende a generarse sobre la piel.

De lo expresado en los puntos anteriores se puede derivar una fórmula que representa de manera simplificada la condición de equilibrio térmico entre el cuerpo humano y su entorno, condición que resulta indispensable para mantener el confort sin esfuerzos evidentes:

Calor metabólico +/- Convección +/- Radiación +/- Conducción - Evaporación = 0

Cuando la suma de estos factores es mayor o menor a cero el equilibrio se rompe y se desencadenan procesos que pueden llevar al disconfort, al malestar físico y, en casos extremos, a la muerte, como se explica en el siguiente apartado.


Respuestas al estrés térmico y efectos en la salud

Afortunadamente, el cuerpo humano dispone de una serie de mecanismos que le permiten recuperar el equilibrio térmico, al menos hasta cierto punto. El primero de ellos es el control automático e inconsciente de la circulación sanguínea, lo que se conoce como regulaciones vasomotoras. Si el cuerpo está en un proceso de ganancias de calor se produce un aumento de la circulación sanguínea en la superficie de la piel, con lo que se incrementa el calor transportado hacia ella y por ende se aceleran los procesos de pérdida de calor. Por otro lado, si el cuerpo se encuentra perdiendo calor se reduce la circulación sanguínea en la piel, disminuyendo su temperatura y amortiguando los procesos de pérdida de calor. Sin embargo, aunque son muy útiles, las regulaciones vasomotoras suelen ser poco efectivas cuando el desequilibrio térmico es muy amplio. Se requiere entonces de mecanismos más agresivos.

Cuando las regulaciones vasomotoras no son suficientes para contrarrestar una situación de ganancias excesivas de calor, la piel comienza a intensificar la sudoración, respuesta que busca propiciar las pérdidas de calor por evaporación. La tasa de producción de sudor depende del nivel de desequilibrio térmico y en casos extremos puede alcanzar los 3 Kg/h. Este mecanismo es especialmente eficaz cuando la humedad ambiental es baja y el movimiento del aire es notorio, condiciones que favorecen la evaporación del sudor sobre la piel. Por otro lado, cuando las regulaciones vasomotoras no son suficientes para contrarrestar un proceso intenso de pérdidas de calor, entonces se producen escalofríos. Estos son contracciones musculares repetitivas que pueden ser moderadas o violentas, dependiendo del nivel de desequilibrio térmico. En casos extremos los escalofríos llegan a incrementar hasta 10 veces la producción de calor metabólico muscular. Aunque son mecanismos bastante efectivos, el sudor y los escalofríos no pueden mantenerse en forma intensa por periodos prolongados.

Aunque aún no se comprenden cabalmente los sistemas que regulan la temperatura del cuerpo humano, de por sí complejos, se sabe que existen dos "sensores" que juegan un papel crucial. Uno de ellos es el hipotálamo, que detecta el más ligero aumento de la temperatura del núcleo del cuerpo. Cuando esta sube más allá de los 37°C el hipotálamo dispara los mecanismos de enfriamiento explicados arriba. El otro es la piel, que detona los mecanismos de calentamiento cuando su temperatura cae por debajo de los 34°C. Cuando ambos sensores envían al cerebro señales de alarma al mismo tiempo, este tiene la capacidad de inhibir una o ambas respuestas.

Finalmente es importante señalar que existen otros mecanismos de respuesta a las pérdidas o ganancias excesivas de calor, los cuales operan a largo plazo. Entre ellos se encuentran los cambios en las tasas de producción de calor metabólico basal, el aumento de la cantidad de sangre (que permite una vasodilatación más eficiente) y el incremento de la capacidad de las glándulas sudoríficas. En su conjunto estos mecanismos se conocen como aclimatación, un fenómeno que ha permitido al ser humano adaptarse a casi todas las zonas climáticas de la tierra, desde el ecuador hasta las regiones cercanas a los polos, y desde el nivel del mar hasta los 4,500 metros de altura.


La vestimenta: una segunda piel

Hasta hace relativamente poco las investigaciones sobre el confort humano habían dado poca importancia a la vestimenta. Sin embargo ahora se le reconoce como lo que siempre ha sido: el primer recurso de mediación entre el cuerpo humano y el ambiente en el que se desenvuelve. De hecho sería posible hacer una historiografía de la indumentaria paralela a la de la arquitectura, tomando como eje la forma en que los diversos grupos humanos se han adaptados a los diferentes climas terrestres.

La ropa cumple varias funciones de protección para el ser humano, incluyendo aquellas derivadas de las necesidades culturales y sociales de privacidad. Desde el punto de vista térmico, aunque no siempre es así, la función principal de la ropa es proporcionar un determinado nivel de aislamiento y reducir las pérdidas de calor del cuerpo humano. Es a partir de ese enfoque que se han desarrollado diversos sistemas de clasificación de la ropa de acuerdo con su valor de aislamiento. El de uso más extendido emplea una escala basada en la unidad Clo (abreviación de la palabra inglesa Clothing).

En la escala Clo el valor 0.0 representa la desnudez total, mientras que 1.0 representa un traje común de oficina. Para ser más exactos un Clo equivale a una combinación de ropa que presenta una resistencia térmica de 0.155 m2°C/W. La Tabla 2 muestra los valores de Clo que se suelen considerar para algunas prendas básicas.

Tabla 2. Valores de Clo y resistencia térmica de diferentes prendas de vestir.

Resistencia Termica Prendas Clo

Valores basados en datos de Thermal Comfort, Bjørn Kvisgaard

El valor de aislamiento de la vestimenta aumenta en relación con el tipo y número de prendas. Por ejemplo, una persona con vestimenta normal de calle podría preferir una temperatura unos 9°C por debajo de la que preferiría una persona desnuda. Por lo general el valor total de aislamiento se puede calcular de manera suficientemente exacta sumando los valores Clo de cada prenda. Sin embargo, en el ASHRAE Handbook of Fundamentals (1985) se recomienda multiplicar la sumatoria de los valores de Clo de todas las prendas por un factor de 0.82.

Tabla 3. Valores de Clo y resistencia térmica de diferentes vestimentas.

Resistencia Termica Vestimenta Clo

Los valores de Clo de la vestimenta de las personas también se emplean en diversos sistemas de cálculo diseñados para estimar los niveles de confort que se pueden alcanzar en los edificios, de acuerdo con su desempeño térmico. Dada la variabilidad del nivel de arropamiento de cada persona, generalmente se emplean valores promedio.


Otras variables que afectan el confort

Mas allá de las variables ambientales y fisiológicas analizadas en los párrafos anteriores, las preferencias térmicas y la sensación de confort se ven influenciadas por diversos factores individuales, relativamente subjetivos. La asimilación de estos factores refuerza la idea de que resulta perjudicial tratar de establecer estándares de confort rígidos e inamovibles. Entre esos factores podemos señalar los siguientes:

La aclimatación. Expuesto a nuevas condiciones ambientales, una persona es capaz de aclimatarse, es decir, acostumbrarse a ellas, en un periodo relativamente corto. Durante ese periodo sus preferencias térmicas cambiarán de manera significativa. Por ejemplo, una persona que vive en Bogotá puede preferir una temperatura de 20 °C, pero después de pasar unos meses en la ciudad de Cartagena de Indias es muy posible que prefiera una temperatura de 24 °C. Esta capacidad de aclimatación del ser humano es una de las razones por las que ha podido adaptarse a los más variados climas terrestres, algunos de ellos realmente extremos.

La edad y el género. La edad y el género pueden influir hasta cierto punto en las preferencias térmicas. Por un lado, las personas mayores suelen preferir temperaturas más elevadas debido a que su metabolismo se vuelve más lento. Es la misma razón por la cual los niños, con un metabolismo alto, pueden tolerar temperaturas ligeramente más bajas que los adultos. Por otro lado, se ha demostrado que los hombres presentan generalmente un metabolismo un poco mayor al de las mujeres, por lo que suelen preferir, en promedio, temperaturas 1°C más bajas que ellas. En todo caso, es recomendable tener cuidado con esta información, pues algunos estudios señalan que las diferencias pueden no ser tan importantes. Indican, por ejemplo, que el metabolismo más lento de la gente mayor se suele compensar con menores pérdidas por evaporación. También, que el hecho de que las mujeres prefieran temperaturas ligeramente más elevadas se puede deber a que emplean ropas con menor aislamiento térmico.

La forma corporal y la grasa subcutánea. La proporción entre superficie de piel y volumen corporal también influye en la sensación de confort de las personas: una persona esbelta tiene más superficie de piel que otra con el mismo peso pero de menor estatura y mayor corpulencia. Debido a ello tiene la capacidad de disipar una mayor cantidad de calor y por lo tanto suele tolerar temperaturas más elevadas. Al mismo tiempo, se ha demostrado que la grasa subcutánea funciona como un excelente aislante térmico, por lo que generalmente una persona robusta requiere temperaturas del aire más bajas para disipar la misma cantidad de calor que una persona delgada. En otras palabras, suele ser menos tolerante a las temperaturas relativamente elevadas.

El estado de salud. Cuando una persona se encuentra enferma, sus mecanismos de defensa internos pueden aumentar de manera significativa su metabolismo. En primera instancia esto podría significar que tiene una mayor tolerancia a temperaturas relativamente bajas. Sin embargo lo que suele suceder es que al mismo tiempo sus mecanismos reguladores se vean afectados, por lo que el margen de temperaturas tolerables se vuelve más estrecho. Este es un factor que se debe tomar en cuenta al evaluar las condiciones de confort en hospitales y edificios similares. Además, algunos estudios recientes indican que las personas con problemas de salud presentan mayores variaciones en su respuesta a las condiciones térmicas, por lo que siempre que sea posible se debería proporcionar medios de control más individualizados.

El color de la piel. Diversas investigaciones han demostrado que la piel clara refleja en promedio tres veces más radiación que la piel oscura, pero al mismo tiempo es mucho más vulnerable a las quemaduras, úlceras y cánceres provocados por el sol. Por otro lado, la piel oscura se ve más afectada por la absorción de calor, pero esta situación se equilibra por el hecho de que su capacidad para emitir calor aumenta casi en la misma proporción. Además contiene más pigmento de melanina, lo cual disminuye de manera significativa la penetración de los dañinos rayos ultravioletas. Considerando esto, podemos afirmar que el color de la piel tiene un mayor impacto en la resistencia a los rayos solares que en las preferencias térmicas.


Confort y clima

A lo largo de la geografía terrestre el hombre puede enfrentar condiciones climáticas muy diversas. Cada situación pone en juego diversos mecanismos de regulación y plantea retos de diseño distintos. En los siguientes párrafos analizaremos los mecanismos que se ponen en juego en algunas situaciones climáticas típicas.

Climas templados y moderados

En un clima templado, bajo techo, con una temperatura del aire y de las superficies circundantes próxima a los 18 °C, con una velocidad del viento no mayor a los 0.25 m/s y con una humedad relativa entre 40 y 60%, una persona que desarrolle una actividad de intensidad moderada disipará el calor metabólico excedente sin ningún problema, más o menos de la siguiente forma:

  • Por radiación: 45%
  • Por convección: 30%
  • Por evaporación: 25%
Climas cálidos y secos

Si la temperatura del aire se acerca a la temperatura de la piel (normalmente entre 31 y 34° C), las pérdidas de calor decrecen gradualmente. La regulación vasomotora aumentará la temperatura de la piel hasta su límite más alto (34° C), pero cuando la temperatura del aire alcance ese punto ya no se producirán pérdidas de calor por convección.

Por otro lado, mientras la temperatura media de las superficies circundantes sea inferior a la temperatura de la piel, se generarán pérdidas de calor por radiación. Al aumentar la temperatura radiante media disminuirán las pérdidas por radiación, hasta invertir el proceso y generar ganancias de calor.

Cuando los factores de intercambio calorífico por convección y radiación son positivos, es decir, provocan ganancias de calor en el cuerpo humano, aun puede mantenerse el equilibrio térmico por evaporación, por lo menos hasta cierto límite. Una condición indispensable para que esto suceda es que el aire sea lo suficientemente seco (humedad relativa muy baja) para permitir una elevada evaporación de sudor.

Climas cálidos y húmedos

Cuando las temperaturas del aire y de las superficies circundantes están por encima de la temperatura de la superficie de la piel, y la humedad relativa es alta pero inferior al 100%, el movimiento del aire elevará los índices de evaporación, contribuyendo de manera significativa a la disipación de calor. El mecanismo es el siguiente: si la humedad relativa del aire es del 90%, éste aún admitirá la humedad producida por evaporación de sudor, pero la delgada capa de aire que se encuentra en contacto directo con la piel pronto se saturará, haciendo que el proceso de evaporación se detenga. El aire en movimiento, sin embargo, eliminará la capa de aire saturado y permitirá que el proceso de evaporación continúe. Se estima que con una presión de vapor superior a 2000 N/m2 cada incremento en 1 m/s de la velocidad del aire compensa un incremento de 300 N/m2 en la presión de vapor.

Sin embargo, cuando el aire está completamente saturado de humedad y tiene una temperatura superior a la de la piel, el movimiento del aire solo aumentará la ganancia de calor y la incomodidad. Afortunadamente estas condiciones son poco comunes en la naturaleza, ya que los índices muy elevados de humedad suelen presentarse cuando la temperatura del aire se encuentra por debajo de la temperatura de la piel.

Imaginemos ahora una situación en la que la temperatura del aire y de las superficies circundantes se encuentra por arriba de la temperatura de la superficie de la piel, con una velocidad del aire menor a los 0.25 m/s y una humedad relativa cercana al 100%. El sudor será profuso pero no habrá evaporación y, aun cuando la producción de calor metabólico sea pequeña, todos los elementos de la ecuación de equilibrio térmico serán positivos (excepto la evaporación, que será neutra). La temperatura del cuerpo comenzará a elevarse y al aumentar en 2 o 3 °C se producirá una insolación, la cual consiste en un fallo circulatorio seguido de un aumento aún más rápido de la temperatura. Cuando la temperatura del cuerpo alcanza los 41 °C sobreviene el coma y el peligro de muerte es inminente. Al llegar a los 45 °C la muerte es inevitable.

Afortunadamente, es poco frecuente que las personas experimenten las condiciones descritas en el párrafo anterior, a menos que permanezcan durante periodos prolongados bajo el sol. Sin embargo los edificios mal diseñados y/o acondicionados pueden incrementar el riesgo de este tipo de situaciones, especialmente durante las olas de calor.


Referencias

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[2] N. Baker and M. Standeven, “Thermal comfort for free-running buildings,” Energy and Buildings, vol. 23, no. 3, pp. 175–182, Mar. 1996.

[3] N. Djongyang, R. Tchinda, and D. Njomo, “Thermal comfort: A review paper,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, no. 9, pp. 2626–2640, Dec. 2010.

[4] C. Laia, M. Richard, S. Camelo, and H. Gonçalves, “Towards sustainable Summer comfort,” 2009.

[5] F. Nicol, “Comfort Driven Adaptive Window Opening Behavior and the Influence of Building Design.”

[6] F. Nicol and L. Pagliano, Allowing for Thermal Comfort in Free-running Buildings in the New European Standard EN15251. .

[7] R. Torres, G. Nolasco, and J. Albores, “Evaluación de Confort Térmico en Clima Cálido Subhúmedo,” Congreso Internacional de AcademiaJournals.com, Sep. 2010.

[8] “CIBSE - CIBSE Guides.” [Online]. Available: https://www.cibse.org/Knowledge/CIBSE-Publications/CIBSE-Guides. [Accessed: 21-Aug-2019].


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Última actualización Viernes, 23 Agosto 2019 Categories: Confort y ambiente, Condicionantes de diseño

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