AMBIENTE TERMICO

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AMBIENTE TÉRMICO La definición más apropiada del confort térmico es, sin duda, la dada por Ashrae: “Un estado mental de satisfacción satisfacción de la persona con con su medio ambiente térmico”. térmico”. Recalca

el hecho (que no debe olvidarse) que se trata t rata de un estado mental, y variable de persona a persona. Se reconoce por ejemplo que el mejor mejor estado térmico sólo podrá podrá satisfacer como máximo a un 80% de personas, y que existirá un 20% que lo encontrará un tanto cálido o un tanto frío. Pero al margen del estado mental y de la variabilidad de persona a persona, es evidente que existen hechos físicos objetivos. – 10 10 ó 42 °C son temperaturas francamente poco confortables para cualquier persona. Pero se ha de tener muy presente que no es sólo la temperatura el elemento objetivo inconveniente. Para explicarlo, se deben analizar las sensaciones de calor y frío. La sensación de frío es una especie de advertencia que envía envía el organismo, referida al hecho de que el cuerpo humano está perdiendo una cantidad excesiva de calor. Esta excesiva pérdida puede terminar con la muerte de la persona, pero aun muchísimo antes de llegar a una situación de este tipo, t ipo, el organismo envía sus advertencias, de intensidad creciente a medida que el peligro se agrava. Por otra parte el cuerpo humano es una máquina térmica, que recibe calor de la combustión de los alimentos y realiza un trabajo. t rabajo. Como toda máquina térmica, está regida por el segundo Principio de la Termodinámica. Este principio establece que para producir un cierto trabajo (respirar, funcionamiento funci onamiento de los órganos, movimiento, etc.), es necesario ceder una cierta cantidad de calor al medio más frío. O sea que el cuerpo humano, para poder vivir, debe necesariamente ceder una cierta cantidad de calor al medio que lo rodea. Cuando esta cesión se vuelve dificultosa, el organismo envía una nueva advertencia: es la sensación de calor. De lo anterior surge claramente que lo importante para el organismo no es precisamente la temperatura sino el intercambio de calor entre el cuerpo y el medio ambiente que lo rodea. Este intercambio se efectúa de muy variadas formas como se analizará ahora. La temperatura corporal es mantenida a un nivel relativamente constante a causa de la casi exacta compensación que existe entre la producción, la ganancia y la pérdida de calor. La ecuación de balance térmico para la condición de homotermia es: Ganancia + Producción de calor interno = Disipación Durante el trabajo, la producción producción interna de calor puede incrementarse incrementarse con respecto a la ganancia y disipación, por lo que los mecanismos de eliminación deberán ser reforzados para mantener el equilibrio térmico.

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Desde la óptica de la física, un objeto está expuesto al calor cuando la temperatura es inferior al medio ambiente. Desde la óptica de la biología, un organismo está expuesto al calor cuando el ambiente afecta al sistema termo – regulador, forzándolo a eliminar activamente el calor.

Conclusión: En condiciones normales, y puesto que existe una fuente térmica endógena importante, para que el organismo pueda mantener un balance térmico por mecanismos pasivos, se hace necesario que el medio ambiente sea más frío que el propio organismo, de forma que si no existe el suficiente gradiente térmico será necesario consumir energía en disipar calor. QM  (Q K + QC + QR) = QE, requerido  QA

(1)

QM = calor del metabolismo Q K = calor por conducción QC = calor por convección QR = calor por radiación QE, requerido = calor por evaporación QA = calor que se traduce en un aumento o disminución de la temperatura del cuerpo. Tomando por ejemplo el término QA, calor que se traduce en un aumento o disminución del cuerpo, puede afirmarse que, salvo condiciones térmicas bastante severas, la temperatura del cuerpo humano permanecerá constante. Esta temperatura puede aumentar o disminuir, frente a estados de tensión térmica acentuados. Por ejemplo se ha medido el caso de obreros al sol cargando bolsas en un día de 34 ºC, temperaturas del cuerpo en un promedio eran de 39 ºC. Así mismo puede llegar a descender a 35 ºC o menos en condiciones severas de frío. En condiciones de confort QA = 0. Basándonos en el análisis anterior, la ecuación (1) se transforma en: QM - (Q K + QC)  QR = QE, requerido (2) Que significa, que el calor generado por el metabolismo menos el que el cuerpo pierde por conducción y convección al aire que lo rodea, más que le que gana o menos el que pierde por radiación de o hacia las superficies que lo rodean, debe ser igual a la cantidad de calor que le cuerpo cede por evaporación. A su vez QM = QMb+ QM1 +QM2 QMb = metabolismo basal =70 [w] QM1 = metabolismo derivado de la posición del cuerpo. Ver tabla I QM2 = metabolismo derivado de la actividad. Ver tabla II

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Tabla I Valores medios de QM1 POSICIÓN DEL CUERPO

QM1 [W]

Acostado o sentado De pie Caminando Subiendo pendiente

21 42 140 210

Tabla II Metabolismo de la actividad QM2 TIPO DE TRABAJO

QM2 [W]

Trabajo manual ligero

28

Trabajo manual pesado

63

Trabajo con brazo ligero

70

Trabajo con brazo pesado

126

Trabajo con ambos brazos ligeros

105

Trabajo con ambos brazos pesado

175

Trabajo con el cuerpo ligero

210

Trabajo con el cuerpo moderado

350

Trabajo con el cuerpo pesado

490

Trabajo con el cuerpo muy pesado

630

Tablas que figuran en el anexo II de la ley 19587 – decreto 351/79 Conducción transmisión de calor entre la superficie del cuerpo y los elementos sólidos en contacto con él. 

QK =

e

T1  T2 

[W]

Donde:  = coeficiente de conductibilidad térmica en [W m-1 K-1]

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e = espesor del conductor en [m] T1, T2 = temperaturas de las dos caras del conductor en [K] En la práctica este flujo no se calcula, generalmente, porque las superficies corporales en contacto con otro elemento sólido, son generalmente pequeñas con relación a la superficie corporal total (pies, manos, nalgas). Convección transmisión de calor de la piel al medio ambiente y viceversa. Qc = Kc v a 0,6 (Ta – 35oC) en [W]

(3)

KC = factor por convección que se define en tabla III va = velocidad del aire en [m / s] Ta = temperatura del aire en [ºC] Los 35 ºC corresponden a la temperatura del cuerpo Tabla III Factor de corrección por vestimenta VESTIMENTA Pantalón corto, torso desnudo Camisa y pantalón liviano

KR 9,8

KC 13,6

Ke 0,21

7

9,5

0,15

Radiación es la transmisión a través del medio ambiente por ondas electromagnéticas, sobre todo del infrarrojo. QR = KR [(TM / 100) 4 – 90]

(4) [W]

KR = factor de corrección por vestimenta, tabla II TM = temperatura radiante media (T.R.M.) en [K] 4

4  T g   T M      2,47 v a t g  t a    100 100     (5)

Donde: tg = temperatura de globo en ºC Tg = temperatura de globo en K Los últimos estudios realizados sobre el tema, permiten afirmar que en general, la influencia de la T.R.M. y la temperatura del aire sobre el confort de una persona, es de igual valor. Es decir que puede hablarse de una temperatura equivalente (T.E.). Para su uso, ver criterios de confort

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Temperatur a del aire  T.R.M.

T. E. =

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(6)

Existen dos formas de medir la T.R.M. Una de ellas consiste en medir la temperatura de las superficies con termómetros especiales de contacto superficial, y luego efectuar los cálculos correspondientes. Otra forma consiste en utilizar un termómetro especial, lla mado de globo, aplicando la relación (5). Las velocidades del aire < a 0,1 m /s (que por lo general suele ser el caso en el interior de un local). Cabe señalar que, salvo para grandes diferencias entre la temperatura del aire y la de globo esta última dará una buena idea de la T.R.M. Cabe señalar que el intercambio de calor por radiación suele ser una de las razones más frecuentes de quejas por falta de confort, por ejemplo en el caso de artefacto de iluminación demasiados cercanos a ciertas personas, cortinas interiores que se sobrecalientan, hornos, secaderos o simplemente máquinas. Todos ellos pueden producir una profunda incomodidad y serios riesgos para la salud en el caso de las industrias, aunque la temperatura del aire no

Ilustración 2. Termómetro globo sea tan elevada.

EVALUACION DE LA CARGA TERMICA SEGÚN LA LEGISLACION VIGENTE QM = QMb + QI + QII Con las tablas correspondientes se calcula el valor de QM Para evaluar la exposición de los trabajadores sometidos a carga térmica, se calcula el INDICE de TEMPERATURA GLOBO BULBO HUMEDO (TGBH) Se usan las siguientes ecuaciones: 1 - Para lugares interiores o exteriores sin carga solar: TGBH = 0,7 TBH + 0,3 TG 2 - Para lugares exteriores con carga solar: TGBH = 0,7 TBH + 0,2 TG + 0,1 TBS Donde: TGBH: índice de temperatura globo bulbo húmedo

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TBH: temperatura de bulbo húmedo TBS: temperatura de bulbo seco TG: temperatura globo LIMITES PERMISIBLES PARA LA CARGA TERMICA Valores dados en º C de TGBH Tipo de trabajo Liviano < 230 w

Moderado Pesado 230-400 w > 400 w

Régimen de trabajo y descanso ______________________________________________________________________ Trabajo continuo

30,0

26,7

25,0

75% trabajo, 25% descanso cada hora

30,6

28,0

25,9


31,4

29,4

27,9


32,2

31,1

30,0

Trabajo continuo: ocho horas diarias (48 horas semanales) Si el lugar de descanso determina un índice menor a 24 ºC (TGBH), el régimen de descanso puede reducirse en un 25% EVAPORACIÓN Transporta el calor latente y constituye siempre una pérdida de calor del organismo. La evaporación se produce a nivel piel. La temperatura de la piel es aproximadamente 35 ºC. Sin embargo una persona puede permanecer a esa temperatura, siendo la T.R.M. también de 35 ºC. En esas circunstancias, el cuerpo no puede perder calor por convección, conducción o radiación, y debe hacerlo íntegramente por evaporación. Cada gramo de agua, al evaporarse a 35ºC, absorbe (idealmente del cuerpo) 0,58 Kcal. Si la actividad metabólica fuese de 140 Kcal /h (actividad industrial liviana) el cuerpo evaporará aproximadamente 240 g de agua por hora para mantener el balance térmico, en dichas condiciones de temperatura y T.R.M. Ello explica, por otra parte, los riesgos de deshidratación a altas temperaturas.

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Pero aun en condiciones menos severas, el cuerpo pierde calor por evaporación. Lo hace a través de la respiración pero fundamentalmente a través de los mecanismos del sudor. QE, máximo = K e va 0,6 (5600 – pv)

[W] (7)

Ke = factor de evaporación ver tabla III pv = presión de vapor del agua, ambiente. [Pa] pv =pvs – 66,66 (ta – t bh) pvs = presión parcial del vapor saturado ta = temperatura ambiente o bulbo seco tbh= temperatura de bulbo húmedo. 5600 es el valor en [Pa] de la presión sobre la superficie de la piel Si QE, requerido  QE, máximo .Esto indica que el calor que es necesario eliminar por evaporación, es igual o menor que el calor que es posible eliminar por evaporación. Luego las condiciones son propicias para realizar la tarea. Ver balance térmico Si QE, requerido > QE, máximo. En ese caso hay que determinar el tiempo máximo admisible (T.M.A.) T.M.A.=9600 /(QE, requerido - QE, máximo) [minutos] Este tiempo es el máximo que una persona debe permanecer en estas condiciones ambientales. El T.M.A. hay que compararlo con el tiempo de exposición (TE, no confundir con T.E.) que es el tiempo que debe permanecer en ambiente realizando una tarea determinada. Existen dos posibilidades: Si TE  T.M.A. en ese caso no hay riesgos para el trabajador Si TE > T.M.A deberán evaluarse medidas correctivas que limiten el riesgo

LA FUNCIÓN DE LA SUDORACIÓN A medida que el desequilibrio del balance térmico trata de empeorarse, la evaporación de la humedad de la piel debe aumentar. La formación y mantenimiento de esta humedad cutánea incumbe al caudal de transpiración. Se diferencian dos mecanismos del sudor a) La evaporación es rápida ya sea porque el aire está seco, porque existe una adecuada velocidad del mismo, porque la cantidad de agua que es necesario evaporar para el balance térmico es pequeña, o por la combinación de todos los factores. En ese caso, la

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evaporación se produce sobre la piel o aun en el interior de los poros. Sólo se forma una muy fina película de agua que suele ser llamada sudor invisible y la persona no tiene en absoluto la sensación de estar sudando. Lo importante de todo esto es que prácticamente todo el calor que toma el agua se toma del cuerpo y no del aire. b) la evaporación es lenta ya sea por la alta humedad, por la baja o nula velocidad del aire, o porque la cantidad de agua que es necesario evaporar para el balance térmico es muy alta. En ese caso se forman las gotas de agua sobre la piel y la persona tiene una clara sensación de estar sudando. A diferencia de a), parte del calor que se toma en el proceso de evaporación provendrá ahora del aire. En otras palabras, la eficiencia de enfriamiento del sudor será bastante menor, y de las 0,58 Kcal que absorbe cada gramo de agua, sólo una parte será efectivamente enfriamiento del cuerpo. La relación entre (QE, requerido) y el caudal de calor máximo (QE, máxima) corresponde a la humedad cutánea requerida, que la transpiración debe realizar y mantener. W = QE, requerido / QE, máxima

(8)

Si W es > 1 estamos en una situación intolerable, ya que el caudal de evaporación que hay que conseguir para asegurar la homotermia es mayor que el caudal máximo de evaporación que el hombre puede realizar, considerando la humedad ambiente. Si W es < 1 la situación es tolerable (con la condición que el caudal de transpiración mantenga la humedad cutánea requerida) Teniendo en cuenta

Coeficientes locales de convección Caudales locales de lándulas sudorí aras

Caudal de transpiración > Caudal de evaporación Se estima que para una humedad total, el 40 % del sudor producido cae al suelo. La relación entre el caudal de evaporación y el de transpiración corresponde a la eficiencia de la evaporación, que se puede estimar SW a e  b W

Donde: SW = eficiencia de evaporación

W = humedad de la piel (ver fórmula 8) a = 3,06 b = 1,52 La relación entre la evaporación requerida y la eficiencia de la evaporación de transpiración, nos da el caudal de transpiración requerido, que es caudal que deberá mantener mientras dure la exposición. S req. = 2,5 QE, requerido / SW

en [g / h], (9) QE, requerido en [W]

AISLACIÓN EN LA INDUSTRIA

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El aislamiento térmico (AT), es: AT = A A + A V (10) donde AA es el aislamiento aéreo y AV es el aislamiento por vestimenta. AT puede calcularse a partir de la ecuación siguiente ( 33o C  T A ) 0,75 QM

AT =

(11)

donde TA: temperatura del aire en [ºC] QM: metabolismo en [W / m2] de individuo, ver balance térmico La aislación aérea es inversamente proporcional a la suma de los coeficientes de transferencia de calor por radiación y convección. 1

AA =

hC

 hR (12)

donde hC: coeficiente de transmisión de calor por convección, hR: coeficiente de transmisión de calor por radiación. hC = coeficiente de convección en [W m – 2 K – 1] hC = 3,5 + 5,2 va en [W /m2 K], para va < 1 [m / s] (13) hC = 8,7. va 0,6, para va >1 [m / s] (14)

va = velocidad del aire en [m / s] 3 hR = 4  T

en [W /m2 K], (15)

 (constante universal de radiación) = 5,75. 10 – 8 [W / m2 K 4], (1 6)

 TR 

3

 TP   2  (1 7)

T3 =  TR = temperatura radiante media (T.R.M.) en [K] Tp = temperatura cutánea media en K (35 ºC)

La aislación térmica de la vestimenta (A V) es una medición física objetiva que podría darse, como en las fórmulas anteriores, en términos de resistencia térmica. Es costumbre sin

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embargo, para estos estudios, darla en otra unidad, el [CLO] (abreviatura del inglés “cloth”, ropa). Ver tabla IV Tabla I V Valores de aislación térmica de la vestimenta. TIPO DE VESTIMENTA Desnudo En malla Shorts, sandalias, camisa Pantalón de verano, camisa abierta, sin corbata. Vestido de mujer de algodón Traje de verano y camisa con corbata. Traje de invierno, pullover o chaleco

AISLACIÓN TÉRMICA EN [CLO] 0 0,1 0,3 0,5 0,7 1

( llamado” típico oficina”).

Ídem anterior, medias de lana y sobretodo 1,5 ( llamado” típico europeo”)

1 [CLO] = 0,155 [m2 K / W]. Por encima de los 3 [CLO] se considera ropa muy pesada e incómoda.

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