Módulo II: Herramientas del diseño

El bienestar depende de factores sensitivos en el ser humano que, a su vez, vienen motivados por los estímulos (higrotérmicos, lumínicos, olfativos o acústicos). Dependiendo de estos estímulos nos sentiremos en un espacio con una sensación de confort o con una sensación no confortable.

En este módulo veremos herramientas que nos permiten, sobretodo, establecer espacios para el bienestar de las personas y enfocaremos nuestra atención sobre las condiciones de diseño higrométrico ya estudiadas en el capítulo de confort térmico en el módulo precedente.

El hombre obtiene su energía de las calorías que le proporcionan los alimentos. Esta energía, si no se acumula en el cuerpo, se transforma en energía mecánica, eléctrica o calor. Dado que tenemos que mantener una temperatura constante de 37º (normalmente mayor que la temperatura de nuestro entorno), generalmente estamos cediendo este calor a nuestro entorno. El bienestar higrotérmico se establece cuando el cuerpo pierde calor a la velocidad adecuada; una mayor velocidad implica una sensación de frío, y una menor velocidad una sensación de calor. A esa velocidad se equilibran todos los intercambios energéticos en el hombre. El ritmo al que pierde calor el organismo se denomina velocidad o actividad de metabolismo. Como ya hemos visto anteriormente los intercambios de calor serán principalmente por convección, radiación, evapotranspiración y en menor medida por conducción (al contacto de nuestro cuerpo con otros cuerpos, por ejemplo con los pies en la tierra).

Después de la lectura del módulo el estudiante tendrá unos conocimientos básicos del funcionamiento de muchos sistemas constructivos y detalles arquitectónicos que vemos a diario en nuestras vidas y que pasan desapercibidos o a los cuales no sabemos dar una explicación científica, aún siendo conocidos los beneficios que nos aportan.

En el bienestar higrométrico el parámetro fundamental es la temperatura, pero no se pueden olvidar el grado de humedad, el movimiento del aire, la actividad, el tipo de arropamiento, etc.
Todo esto se puede agrupar en cuatro categorías:

Parámetros geográficos: latitud y altitud
Parámetros climáticos: temperatura, humedad, movimiento del aire y radiación
Parámetros personales: actividad, arropamiento, edad y sexo
Parámetros del espacio interior: tiempo de ocupación, gradiente vertical de temperatura, radiación de onda larga emitida por los paramentos interiores, variación periódica de la temperatura y asimetría radiante entre paramento.

Estación	Temperatura operativa (ºC)	Velocidad media del aire (m/s)	Humedad relativa (%)
Verano	23……25	0,18……0,24	40……..60
invierno	20..….23	0,15……0,20	40……..60

El arropamiento del individuo se mide en clo (clothing) que equivale a una resistencia térmica de 0,15m2ºC/W. Para agrupar su valor en niveles más simples, se usan los siguientes valores:

Nivel 0	Desnudos	0 clo
Nivel 1	Ropa ligera	0,5 clo
Nivel 2	Ropa media	1,0 clo
Nivel 3	Ropa pesada	1,5 clo

Existen muchos más factores que intervienen en el bienestar, tales como la edad, el sexo, la previsibilidad subjetiva, parámetros vinculados al diseño del ambiente interior, la temperatura radiante, etc., que son difíciles de determinar. Dada esta complejidad de definición de los factores que intervienen en el confort interior, los estudiosos en la materia han creado diversos diagramas en los que se señalan zonas de bienestar de mayor o menor amplitud.

Los climogramas son herramientas de diseño bioclimático basados en las premisas del bienestar higrométrico. Proporcionan información sobre las diferentes estrategias constructivas y de diseño disponibles y, al superponer sobre ellos las condiciones climáticas concretas del lugar, indican directamente cuales deben emplearse.
Uno de los climogramas más conocidos es el de los hermanos Olgyay.

La zona de confort que aparece en este diagrama está básicamente delimitada por dos humedades relativas: una mínima que está en torno al 20% y una máxima que se encuentra en torno al 80%.
Por otro lado, se delimitan las temperaturas. Estas se obtienen sumando y restando aproximadamente 2,78ºC a la temperatura máxima de las medias mensuales de la localidad para la cual se está realizando el gráfico.

Dado que la adaptación del organismo a su ambiente tiene unas limitaciones biológicas, el valor máximo aceptado es de 26,7ºC, y el mínimo, que lógicamente también existe, está fijado para localidades frías en 21,1ºC. Estos valores dan unos márgenes absolutos a la zona de bienestar de 29,45ºC y de 18,32ºC. Por último el diagrama se cierra, a partir de la línea de 50% de humedad relativa con dos líneas de temperatura efectiva constante.

El diagrama resultante tendrá forma de “zapato” y en su interior se situará la zona de confort.

El diagrama está realizado con un arropamiento de 1 clo, cifra intermedia entre verano e invierno. Cualquier modificación de este valor debe corregir la zona de confort en 7,3ºC por cada clo que se altere.

De esta forma tendremos un “zapato” para primavera para un arropamiento de 1 clo; otro para el verano para un arropamiento de 0,5 clo que subirá en el diagrama respecto al primero 3,65ºC; y otro para el invierno donde se considerará 1,5 clo de arropamiento y deberá bajar en el diagrama, igualmente, 3,65ºC respecto al primer “zapato”.

Ilustración 2 Climograma de Olgyay corrección por arropamiento en invierno y verano. Fuente: Arquitectura bioclimática. F.J. Neila

Como el diagrama se encuentra dibujado en unos ejes de coordenadas de temperaturas secas y húmedas relativas, se puede ubicar en él con mucha facilidad el ambiente o el clima que se quiere juzgar. Si el punto se encuentra bajo la temperatura mínima, el confort se alcanza incrementando el efecto de la radiación en la cuantía que indique el diagrama, radiación que puede obtenerse de los paramentos, de fuentes de acondicionamientos radiantes, o directamente del sol.

Si el punto se encuentra sobre la línea de temperatura máxima, en las zonas cálido-húmedas, se puede recobrar el confort incrementando la velocidad del aire o la ventilación.

Por último, si además de estar situado sobre la línea de temperatura máxima el punto se encuentra en una zona seca (una humedad relativa menor del 50%) se puede provocar una reducción de la temperatura seca del ambiente evaporando cantidades crecientes de agua, hasta un límite fijado por una línea de entalpía constante.

Si sobre este diagrama se dibujan las distintas temperaturas horarias que se producen a lo largo de los meses, se pueden observar en que momentos del día o del año se requiere ventilación, en cuales radiación, en cuales evaporación, etc. … permitiendo, con esta cuantificación, tener un instrumento de diseño bioclimático estimable (Mapa de isopletas) .

Ilustración 3 Climograma Olgyay. Ta y H mensuales. Fuente: www.habitat.aq.upm.es

Ilustración 4 Mapa de Isopletas (representación horaria de las necesidades de ventilación, radiación y humectación para alcanzar la zona de bienestar) Fuente: Arquitectura bioclimática F.J. Neila

las necesidades de calor a una hora en la que incide la radiación solar se cubren abriendo huecos en la fachada sobre la que incide;
la necesidad de calor a una hora en la que ya no incide la radiación solar se obtiene dotando a los paramentos de gran inercia térmica y un desfase de la onda equivalente a la diferencia horaria entre el momento de la irradiación y el de la necesidad;
si la totalidad de los momentos del año están por encima de la línea de sombra, se diseñarán huecos pequeños e irán protegidos por parasoles;
si a lo largo del año se alteran periodos por encima y por debajo de la línea de sombra, las protecciones serán móviles o su forma estará estudiada en función de la posición solar para adaptarse a cada momento;
la ventilación se consigue mediante la disposición de huecos enfrentados; si la ventilación no es precisa en todo momento, estos huecos dispondrán de sistemas de cierre adecuados; si la temperatura del aire exterior es muy elevada la ventilación se realizará por la zona alta de los locales; si la temperatura exterior no es muy elevada, se hará por huecos cruzados; etc.

A pesar de la gran potencialidad de este mecanismo, para facilitar el bienestar en condiciones de verano, su uso debe estar limitado a un rango pequeño de valores, por problemas de inconfortabilidad funcional:

Este diagrama bioclimático es la representación de unas determinadas condiciones atmosféricas dadas por la temperatura ambiente T y las condiciones de humedad H en un punto x.
Hay dos formas diferentes de observar la humedad:

Como la evaporación del agua provoca el enfriamiento del bulbo, la temperatura húmeda es siempre menor que la temperatura seca.
En condiciones de atmósfera muy seca, la evaporación es más rápida, por lo que la temperatura húmeda es menor, mientras que en una atmósfera saturada de agua, no es posible la evaporación, y la temperatura húmeda iguala a la temperatura seca.
La medida se realiza con viento en calma (ya que de lo contrario se aceleraría la evaporación). En el diagrama se representa como un conjunto de curvas.

Ilustración 5 aplicación informática diagrama Givoni. Fuente www.miliarium.com

El área de confort es el conjunto de puntos (T, H) del diagrama en el cual un individuo de metabolismo medio, vestido con ropa ligera de verano, en reposo o realizando una actividad sedentaria, con el aire en reposo y sin recibir radiación solar, se encontraría en condiciones confortables. En el diagrama se puede observar que estas condiciones se dan para temperaturas comprendidas entre 20 y 27ºC y humedades relativas entre 20 y 80%, exceptuando el triángulo de temperaturas y humedades más altas (H> 50%, T> 24ºC).

El área de confort con ventilación se define de manera igual al área anterior, pero admitiendo que se puede utilizar ventilación. En este caso, como la ventilación provoca una evaporación más rápida del sudor, se pueden tolerar temperaturas y humedades mayores. En el diagrama se puede observar que para una humedad relativa menor al 50%, se pueden llegar hasta temperaturas de 32,5ºC, y para temperaturas inferiores a 27ºC, se pueden tolerar humedades de hasta casi el 100%.

Es fácil darse cuenta que las áreas de confort están pensadas para los casos de climas cálidos. Hacia la izquierda, y pensando en climas fríos, el área de confort se puede extender hasta los 11-13ºC si se utilizan prendas de abrigo (ver más adelante el límite de la zona en caso de calefacción).

Línea climática: Sobre el diagrama representamos las condiciones climáticas del lugar que queremos estudiar para un mes determinado.

Necesitamos saber cuatro valores: la media de las temperaturas mínimas diarias (Tmin), la media de las temperaturas máximas diarias (Tmax), la media de la humedad relativa mínima diaria (Hmin), y la media de la humedad relativa máxima diaria (Hmax).

Como la humedad relativa aumenta cuando disminuye la temperatura (puesto que el ambiente admite menos humedad absoluta), los pares a representar sobre el diagrama son (Tmin, Hmax) y (Tmax, Hmin), que uniremos por medio de una línea.

Definiremos tres puntos importantes en la línea climática: el mínimo (MIN) representado por la tupla (Tmin, Hmax), el máximo (MAX) representado por la tupla (Tmax, Hmin), y el medio (MED) representado por el promedio de los anteriores.

Ilustración 6 aplicación informática diagrama Givoni. Fuente www.miliarium.com

En el ejemplo anterior, se ha representado las condiciones atmosféricas para Sidi Bou Said (Túnez) en el mes de agosto, dadas por los pares (T, H) siguientes: (21,0ºC, 85%) y (33,0ºC, 45%). La línea roja representa pues la trayectoria de las condiciones atmosféricas en un día medio del mes. Obsérvese como en este caso concreto la humedad absoluta permanece prácticamente constante (en torno a los 16-17 mm Hg), mientras que la humedad relativa sufre un gran cambio al variar la temperatura. En cuanto a la temperatura húmeda, obsérvese como ésta varía poco, entre 20 y 24ºC.

En cuanto al confort se puede ver que sólo en determinados momentos del día es posible estar en la zona de confort. Si añadimos algo de ventilación, entonces ya es posible estar en condiciones confortables la mayor parte del tiempo (la temperatura máxima se sale sólo ligeramente de la zona V).

Si se ha entendido lo anterior estamos ahora en condiciones de presentar el diagrama bioclimático completo. Se basa en el anterior, pero donde añadimos nuevas zonas que explicamos a continuación.

Zona de fuerte inercia térmica (I). Una vivienda con fuerte inercia térmica es capaz de promediar en su interior las temperaturas extremas del exterior. Por ello, si la temperatura media de nuestra línea climática (MED) cae dentro de la zona de confort, y MAX está dentro de la zona I, en principio es posible obtener confort permanente en el interior de una vivienda de estas características. Para que esta técnica sea válida, debemos evitar las ganancias por radiación solar, sobre todo por el tejado (tejado sombreado), y a través de las ventanas.

Zona de fuerte inercia térmica con ventilación nocturna (IVN). Si MED no cae dentro de la zona de confort, MIN está dentro de la zona de confort, y MAX está dentro de la zona IVN, es posible obtener confort en una vivienda de fuerte inercia térmica, protegida adecuadamente de la radiación solar, si realizamos una eficaz ventilación nocturna (para esto la casa debe estar bien diseñada para captar las brisas y deben existir amplias superficies de contacto que permitan la pérdida del calor).

Ilustración 7 aplicación informática diagrama Givoni. Fuente www.miliarium.com

En esta hoja de cálculo puedes encontrar el climograma bioclimático de Givoni y procesos automatizados para aconsejar sobre las técnicas que se pueden utilizar según las condiciones climáticas de un determinado lugar.

Es un método diseñado por Carl Mahoney para el diseño del hábitat en países tropicales.
El principio de funcionamiento es sencillo: se comienza con una tabla que contiene los datos climáticos, mes a mes, del lugar considerado y, a partir de ella, y siguiendo un conjunto de reglas, se generan otras tablas que proveen información para ayudar al diseño de la vivienda. Estas reglas han sido automatizadas en esta hoja de cálculo. No obstante, vamos a describir las principales tablas que se consideran en este método:
Datos
Para cada mes es necesario introducir los siguientes datos:

Estrés térmico
Se genera, mes a mes, tanto para el día como para la noche, tres posibles indicaciones:

Indicadores
Mes a mes se activan seis posibles indicadores que nos servirán en nuestro diseño bioclimático

H1: Debido a la humedad y el calor es necesaria la ventilación
H2: Debido a la humedad y el calor es recomendable la ventilación
H3: Debido a la intensidad de las precipitaciones, es necesario prever protección para la lluvia
A1: La utilización de la inercia térmica ayudará en el confort interior del edificio
A2: Puede ser necesario dormir en el exterior
A3: Frío; es necesario disponer de mecanismos naturales o artificiales de climatización

Recomendaciones arquitecturales
Un conjunto de reglas permiten deducir, a partir de los indicadores anteriores, las siguientes recomendaciones arquitecturales clasificadas en 9 temas:

Plan masa. Disposición de la casa, bien orientación este-oeste para disminuir la exposición al sol, o bien plan compacto con patio interior (indicadores A1, A3). El último plan se dará en los casos donde la inercia térmica es necesaria todo el año y los meses de frío no superan 4.
Espacio entre edificios. Básicamente se trata de decidir si se va a dejar espacios para la circulación del aire o no (indicador H1)
Circulación del aire. Diseño del edificio para permitir la circulación interior del aire. Se trata básicamente de decidir si se requiere una circulación de aire permanente, intermitente o nula (indicadores H1, H2, A1). Es un compromiso entre el grado de humedad (que requiere la circulación del aire), y la inercia térmica (que requiere la conservación del clima interior).
Dimensiones de las aberturas. Tamaño de las aberturas del edificio para la circulación interior del aire (indicadores A1, A3). De nuevo, la necesidad de conservar el clima interior determina el tamaño de estas aberturas.
Posición de las aberturas. De nuevo se insiste sobre las aberturas (indicadores H1, H2, A1). La necesidad de ventilación y de inercia térmica vuelven a determinar este parámetro.
Protección de las aberturas. Se indica si es necesaria la protección contra la radiación solar directa (cuando los meses de frío no superan los dos) y contra la lluvia (cuando los meses de fuertes lluvias superan los dos). Indicadores H3, A3.
Muros. Se decide si es necesario construcciones ligeras o construcciones masivas, de fuerte inercia térmica (indicador A1).
Techo. Tres posibilidades: construcción ligera y reflectante con cámara de aire, construcción ligera y aislada, y construcción masiva de fuerte inercia térmica (indicadores H1, A1).
Espacios exteriores. Se indica si es necesario disponer de un emplazamiento exterior para dormir, si es necesario drenar apropiadamente el agua de lluvia, y si es necesario la protección contra las lluvias violentas.

Para cada tema se da una sola recomendación o ninguna, excepto en "Protección de las aberturas" y "Espacios exteriores", donde varias recomendaciones son posibles.

Para facilitar todo estos cálculos y basándose en la estructura empleada por Olgyay en su gráfico, con las incorporaciones de estrategias básicas empleadas en el climograma de Givoni, y con los avances en la teoría del bienestar por la Escuela de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), en este centro y bajo la dirección de Francisco Javier Neila se ha desarrollado una aplicación informática que nos permite obtener con bastante fiabilidad un climograma y un mapa de isopletas que nos permiten establecer las estrategias bioclimáticas necesarias tanto en primavera/otoño como en verano o invierno en nuestras construcciones.

Esta aplicación, así como las aplicaciones complementarias que nos ayudarán a introducir los datos se adjunta a este módulo con el fin de poder tener una herramienta básica para el diseño bioclimático.

A continuación veremos cómo introducir los datos en la aplicación:
Pestaña de introducción: se leen las instrucciones básicas del programa, se introduce la localidad, la estación del año en el que queremos obtener el climograma (primavera/otoño, invierno o verano) y el hemisferio donde nos encontramos.

Ilustración 8 Aplicación informática CBA. Fuente: UPM

1ª pestaña:
Se introducen los datos de las actividades que se pueden dar en el edificio a estudiar. Sólo se rellenarán los recuadros amarillos y se tomarán los datos de dos actividades genéricas que se puedan dar en nuestro edificio: por ejemplo si se trata de una fabrica se dará una actividad estática en las oficinas y otra más física y con movimiento en la zona de trabajo.

2ª pestaña:
En esta pestaña se introducen los datos de la persona tipo con la que queremos establecer nuestro estudio (peso y altura) y realizamos la corrección por actividad (met). La cantidad que aparece por defecto suele ser correcta para edificaciones residenciales, en este caso 1,25 met.

3ª pestaña:
Se realizará la corrección por arropamiento. Por defecto se recomienda introducir en verano 0,5 clo, en invierno 1,5 clo y en primavera/otoño 1 clo. A medida que nos familiaricemos con la aplicación y trabajemos con los resultados, sabremos cómo variar estos datos según la ubicación donde estemos haciendo el estudio.
En una zona donde las variaciones térmicas sean pequeñas a lo largo del año, en Málaga por ejemplo, no habrá una variación muy grande entre el arropamiento del verano y el invierno.

4ª pestaña:
En esta pestaña se definirá la temperatura media de radiación solar sobre los paramentos de nuestra edificación en las distintas estaciones del año. Los valores positivos indican mayor variación en la radiación. Para una edificación en condiciones normales se considerarán variaciones de +1, tanto para verano como invierno, primavera y otoño.

6ª pestaña:
Se introducen los datos de humedades relativas medias de la localidad en estudio. Estos datos los podemos obtener de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET)

7ª pestaña:
Se introducen los datos de temperaturas máximas y mínimas de la localidad en estudio. Estos datos los podemos obtener de la Agencia Estatal de Meteorología (AEMET). Con estos datos se obtienen en la aplicación las temperaturas horarias. También se adjunta otra aplicación muy útil para el cálculo de temperaturas horarias en la documentación de este módulo.

8ª pestaña:
Es una pantalla de resumen de los datos climáticos introducidos.
Los datos de las pestañas resumen se actualizan cada vez que se modifican las estaciones del año en la pestaña

de introducción.

Ilustración 16 Aplicación informática CBA. Fuente: UPM

9ª pestaña:
Es donde obtenemos el climograma de la estación seleccionada. En la leyenda lateral aparecen las temperaturas horarias de los meses del año. Para definir nuestras estrategias es importante que seleccionemos el “zapato” correspondiente al mes en cuestión (de invierno, verano o primavera/otoño) en la pestaña de introducción.

En la siguiente ilustración se explican las distintas áreas del climograma obtenido:

Ilustración 18 Áreas del climograma de bienestar adaptado y zonas de influencia y actuación. Fuente: Arquitectura bioclimática. F.J. Neila

10ª pestaña:
En ella introducimos las estrategias bioclimáticas resultantes del análisis del climograma y poder elaborar un informe de conclusiones pertinente.

11ª pestaña:
Aquí podremos ver el mapa de isopletas que también nos aportará una información gráfica para definir nuestras estrategias.

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