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1.- El cuerpo humano como máquina térmica

Caso práctico: el conserje de piel de oso

Hace unos años, un conserje de un centro escolar se encargaba de poner en marcha la calefacción y de regular el termostato de la misma. Se daba la circunstancia de que había pasado muchos años en barcos congeladores en Terranova y no tenía la noción de frío, para él siempre hacía calor. Su piel era resistente y le proveía de una resistencia térmica que los demás no tenían. Todos los años había discusiones con el profesorado y el alumnado, especialmente al comienzo de la temporada de calefacción.

Pescador curtido
Neil Moralee. Life at the waters edge (CC BY)



El caso anterior demuestra lo que todos sabemos, que las sensaciones de confort son muy relativas y que es difícil complacer a todos. Tanto es así, que existe una curva que relaciona unas condiciones de confort higrotérmico, más o menos objetivas (PMV), con el porcentaje de personas insatisfechas (PPD). Y la experiencia muestra que nunca se conseguirá el 100% de satisfacción. Conseguir que sólo el 5% de, por ejemplo, el alumnado y profesorado del centro esté insatisfecho es todo un logro.

Porcentaje de insatisfechos con las condiciones térmicas
Porcentaje de insatisfechos con las condiciones térmicas

(Predicted Mean Vote). El índice PMV predice el valor medio de la sensación subjetiva de un grupo de personas en un ambiente determinado. La escala PMV tiene un rango de sensación térmica desde –3 (frío) a +3 (caliente), donde el 0 representa una sensación térmica neutra.

(Predicted Percentage Dissatisfied) Proporciona una predicción cuantitativa, en %, del número de personas que estarán insatisfechas con un determinado ambiente térmico

CONFORT HIGROTÉRMICO

ASHRAE define el confort como "las condiciones mentales en las cuales una persona está satisfecha de las condiciones climáticas que lo rodean". Estas condiciones de confort, según un estudio de esta asociación, oscilan de 19 ºC a 24 ºC y entre 30 % y 70 % de humedad relativa. Según la norma ISO 7730, se define de una manera muy similar: “Comodidad Térmica” es aquella condición mental que expresa satisfacción con el ambiente térmico".

Posteriormente veremos cuales son las condiciones en las que la reglamentación nacional establece el confort higrotérmico, cuya definición es muy similar a las anteriores.

INDICE METABÓLICO (met)

Para comprender mejor las necesidades de confort de los ocupantes de un edificio, es preciso conocer cómo se desarrollan los procesos de transferencia de calor a través del cuerpo humano. La cuantificación del calor disipado por las personas, se realiza en función de la denominada tasa de metabolismo o tasa de actividad metabólica, medida en met, que es la relación entre la potencia térmica (W ó kcal/h) y la superficie corporal (m2).

1 met equivale a 58,15 W/m² = 50 kcal/h·m² y equivale a la tasa de actividad metabólica de una persona sentada, de complexión media, y sin una actividad especial.

Para el cálculo de una aproximación a nuestra superficie corporal "SC" podemos emplear la ecuación empírica siguiente (DuBois), usando como parámetros, nuestra altura "H" y el peso "P":

SC = 0,202·P0,425·H0,75

Se estima que la superficie corporal media de la población es de 1,8 m2, aunque por supuesto, varía de un individuo a otro, por lo que 1 met ronda los 100 W/persona. La tabla adjunta muestra algunos valores empleados para la tasa de metabolismo en función de la actividad desarrollada:

 

ACTIVIDAD INDICE METABÓLICO
W/m2 met
Tumbado y descansando 46 0,8
Sentado en posición relajada 58 1
De pie en posición relajada 70 1,2
Sentado con actividad suave (oficina, escuela,....) 70 1,2
De pie con pequeños desplazamientos (laboratorio, tienda,...) 93 1,6
Andando de forma moderada (al ir al trabajo, en una máquina,...) 116 2
Trabajando con cierta intensidad (taller, trabajo intenso con máquinas,...) 165 2,8

INDICE VESTIMENTA (clo)

Por otro lado, el clo es una unidad de medida empleada para el índice de vestimenta, que procede del inglés cloth, vestimenta. La unidad se define como el aislamiento térmico necesario para mantener una temperatura estable y cómoda en la piel durante 8 horas, cuando una persona está en reposo a una temperatura de 20 °C, con una humedad relativa del 50% y sin influencia de la radiación solar. La unidad equivale a un aislamiento térmico equivalente a 

 1 clo   →   Rclo = 0,155 m²K/W

American Society Of Heating, Refrigerating And A-C Engineers. Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado, muy activa a nivel mundial en este campo.

Puede definirse confort térmico, o más propiamente comodidad higrotérmica, como la ausencia de malestar térmico. En fisiología se dice que hay confort higrotérmico cuando no tienen que intervenir los mecanismos termorreguladores del cuerpo para una actividad sedentaria y con una indumentaria ligera

Para saber más

Energía corporal

The average human consumes approximately 2 000 kcal per day (it's actually usually somewhere between 2 200 and 4 000, but 2 000 is a nice number). Using a simple conversion (1 calorie = 4,1868 J), this amounts to 8,37 x 106  joules ingested per day.

This means that the average person expends ~8.37 x 106 joules of energy per day, since most of us are in some sort of equilibrium with our surroundings. Assuming most of this energy leaves us in the form of heat, I calculate that on average we radiate ~350 000 J of energy per hour. Since Watt is just Joules per second, this is roughly equal to energy given off by a 100 Watt light bulb!

This assumption, that most of our expended energy leaves us in the form of heat, is actually a decent one. Speaking as a relatively normal college student (in all relevant respects), the amount of energy I expend doing non-thermal work on my surroundings every day seems pretty trivial. Aside from playing tennis (during and after which I am very actively radiate thermal energy), probably the most energetic thing I do is walk up 5 flights of stairs to my dorm room. This increase in gravitational potential energy, however, is only ~12 000 J, or on the order of 0,1% of my total energy expenditure.

The one thing I have neglected (not being a biologist/chemist/physician/whatever) is chemical and biological changes in the human body that would cause the amount of ingested energy to be different than expended energy. This could be due to things like creation/burning of fat, abnormal heat radiation (such as when the body temperature rises while the immune system combats an illness), or increased activity (such as a weightlifter building muscle mass, although I suspect that at higher levels of activity the body's efficiency drops quite a bit, and the heat/work ratio goes up).

WEST, George. How much heat per hour do humans dissipate? Physlink.com

Vestimenta

Actividad física

Autoevaluación

Pregunta 1

1.- En una oficina de 40 empleados, 4 de ellos están disconformes con el ambiente térmico en el interior en invierno. Por ello, podemos considerar el resultado muy negativo

Pregunta 2

2.- En la calidad del ambiente térmico hay que tener en cuenta, entre otros factores, el nivel de actividad física que se realiza y la ropa que se lleva

Pregunta 3

3.- Una persona con dificultad para sudar al realizar ejercicio físico intenso pasará menos calor que otra que suda fácilmente

Pregunta 4

4.- Una persona que va corriendo  a 15 km/h, podemos suponer que realiza una actividad de 1,8 met

Ejercicios Resueltos

1.¿Cuál es la cantidad de energía disipada por hora por una persona con una tasa de metabolismo de 1 met, considerando que la altura es de 1,8 m y el peso es de 70 kg? ¿Cuántas personas serían necesarias para que desprendieran en una hora el mismo calor que el de una estufa de 1kw?

2.¿Cuáles son las causas más frecuentes de malestar térmico? Indaga en libros y en internet.

Ejercicios Para Resolver

1.- Un ciclista ingiere alimentos por valor de 2 750 kcal a lo largo de una carrera. Averigua el rendimiento mecánico del metabolismo si gasta el 20% en las funciones metabólicas básicas y el resto lo invierte en desarrollar una potencia media de 200 W para hacer una ruta de 3 h.

2.- Si el ciclista del ejercicio anterior sube un puerto en un tiempo de 1 h, desarrollando una potencia media de 300 W, ¿cuántas barritas energéticas de 300 kcal debería tomar para reponer las fuerzas, si el rendimiento es del 20% y consideramos que toda la energía consumida se invierte en energía mecánica (despreciamos el gasto energético de las otras funciones metabólicas)?