La ganancia térmica es un concepto esencial en arquitectura y diseño de edificios. Comprender este término te ayudará a diseñar y construir espacios más confortables y eficientes energéticamente. El término se utiliza para describir los procesos que mantienen el equilibrio entre ganancia y pérdida de calor. Si se añade o se quita una determinada cantidad de calor a un objeto, su temperatura aumenta o disminuye, respectivamente, en una cantidad que depende de su capacidad calorífica específica con un ambiente completo.
Conocer los diferentes tipos de transferencia de calor es crucial en diversas aplicaciones industriales, incluidos los sistemas de aire comprimido. Siempre que hay una diferencia de temperatura, se produce una transferencia de calor. El calor se transfiere de tres formas diferentes: por conducción, por convección y por radiación.
Mecanismos de Transferencia de Calor
La transferencia de calor se produce por los tres métodos: conducción, convección y radiación. En esta sección examinamos estos métodos con cierto detalle.
Conducción
La conducción es la transferencia de calor a través de un material sólido. Se produce cuando las moléculas de una sustancia vibran y transfieren energía a las moléculas adyacentes. La conducción es la transferencia de calor por contacto con el aire, la ropa, el agua, u otros objetos (una silla, por ejemplo). Este proceso de transferencia se produce debido a la interacción entre las moléculas que conforman los cuerpos, así aquellas moléculas que están a mayor temperatura vibran con mayor rapidez chocando con aquellas menos energéticas (con temperaturas más bajas) transfiriendo parte de su energía.
La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para conducir el calor. Algunos materiales conducen la energía térmica más rápidamente que otros. En un metal, la imagen incluiría también electrones de valencia libres que colisionan entre sí y con átomos, lo cual igualmente transfiere energía. La tasa de transferencia de calor por conducción es inversamente proporcional a R.
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Una tercera cantidad que afecta la velocidad de conducción es el espesor del material a través del cual se transfiere el calor. En el desarrollo del aislamiento, cuanto menor sea la conductividad k y mayor sea el espesor d, mejor. Así, la relación d/k, llamada factor R es grande para un buen aislante. Los materiales más efectivos para minimizar la ganancia térmica incluyen aislantes térmicos como la lana de roca, el poliestireno expandido, el poliuretano y la fibra de vidrio.
Convección
La convección es la transferencia de calor por el movimiento de fluidos (líquidos o gases). Este proceso, que ocurre en todo fluido, hace que el aire caliente ascienda y sea reemplazado por aire más frío. Se puede dividir en dos tipos. En convección forzada el flujo lo impulsan ventiladores, bombas y similares. Un ejemplo sencillo es el de un ventilador soplando enfrente de usted en un entorno caluroso que lo refresca al sustituir el aire calentado por su cuerpo por aire más fresco. En el caso de flujos libres o convección natural el flujo es impulsado por fuerzas de flotación: el fluido caliente sube y el fluido frío se hunde porque la densidad disminuye al aumentar la temperatura. Ejemplo de convección: agua hirviendo.
La convección suele ser más complicada que la conducción. Más allá de señalar que la tasa de convección suele ser proporcional a la diferencia de temperatura, aproximadamente, no haremos ningún trabajo cuantitativo comparable a la fórmula de la conducción. Sin embargo, podemos describir la convección cualitativamente y relacionar las tasas de convección con calor y tiempo.
La convección transporta algo de calor hacia ellos, pero la mayor parte del flujo de aire del fuego es hacia arriba (lo que crea la conocida forma de las llamas), y lleva el calor a los alimentos que se cocinan y hacia el cielo. La adición de aislamiento en las paredes impide el flujo de aire, por lo que la pérdida (o ganancia) de calor disminuye.
Radiación
La radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. Es la propagación de energía a través del espacio. Un ejemplo obvio es el calentamiento de la Tierra por el Sol. Ejemplo de radiación: el calor del sol cuando nos da en la cara o tostar una nube de golosina al fuego. Al tostar las nubes de golosina, la transferencia de calor por radiación provoca un cambio químico.
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Puede sentir la transferencia de calor del Sol. La mayor parte de la transferencia de calor de este fuego a los observadores se produce a través de radiación infrarroja. La luz visible, aunque dramática, transfiere relativamente poca energía térmica. La energía de la radiación electromagnética varía en un amplio rango, dependiendo de la longitud de onda: una longitud de onda más corta (o una mayor frecuencia) corresponde a una mayor energía. Como se irradia más calor a mayor temperatura, las temperaturas más altas producen más intensidad en todas las longitudes de onda, pero especialmente en las más cortas.
Ganancia Térmica en Arquitectura y Edificios
Ganancia térmica: es el aumento de temperatura que se experimenta dentro de un espacio debido a fuentes internas y externas de calor, como la radiación solar, equipos electrónicos y ocupantes. La capacidad de un edificio para manejar esta ganancia térmica afecta directamente su eficiencia energética y confort.
Fuentes de Ganancia Térmica
Las fuentes de ganancia térmica pueden ser variadas, y es crucial identificarlas para gestionarlas adecuadamente:
- Radiación solar: La luz del sol que entra por las ventanas aumenta la temperatura interna.
- Equipos electrónicos: Ordenadores, electrodomésticos y otros dispositivos generan calor.
- Ocupantes: Las personas naturalmente emiten calor corporal.
- Iluminación: Algunas fuentes de luz, como las bombillas incandescentes, emiten calor adicional.
Ejemplo: Imagina una sala de estar con grandes ventanales orientados al sur. Este fenómeno puede influir considerablemente en el diseño de edificios, especialmente en regiones con climas cálidos. Para un análisis más detallado, la evaluación del consumo energético del edificio puede revelar las áreas donde la ganancia térmica es más pronunciada. Los factores que influyen en la ganancia térmica de un edificio incluyen la orientación y ubicación del edificio, los materiales de construcción utilizados, la cantidad y tipo de acristalamiento en ventanas, y la presencia de aislantes térmicos.
Conceptos Básicos de la Ganancia Térmica por Radiación Solar
La radiación solar es una de las fuentes de energía más importantes que afecta a la temperatura dentro de un edificio. Entender cómo ocurre esta ganancia térmica te permitirá diseñar espacios que aprovechen o mitiguen este efecto según sea necesario. Ganancia térmica por radiación solar: Es el aumento de temperatura en el interior de un espacio debido a la entrada de radiación solar a través de ventanas y otras superficies translúcidas.
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La cantidad de ganancia térmica debida a la radiación solar puede ser determinada utilizando fórmulas matemáticas y teniendo en cuenta:
- La orientación del edificio
- El tamaño y tipo de ventanas
- El uso de materiales reflectantes
La orientación de un edificio afecta su ganancia térmica al influir en la cantidad de radiación solar que recibe. Edificios orientados al sur en el hemisferio norte reciben más sol en invierno, aumentando la ganancia térmica pasiva. La orientación este-oeste puede provocar sobrecalentamiento en verano.
Métodos para Mitigar la Ganancia Térmica
Minimizar la ganancia térmica es esencial para mejorar el confort y la eficiencia energética de los edificios. Para mitigar el impacto de la ganancia térmica por radiación solar, se deben implementar diversas estrategias arquitectónicas y de diseño. Algunas de las más efectivas incluyen:
- Instalación de persianas o toldos: Ayudan a bloquear la radiación solar directa.
- Vidrio de baja emisividad: Reduce la cantidad de energía solar que atraviesa el vidrio.
- Paredes y techos reflectantes: Utilizar materiales reflectantes en la envolvente del edificio.
- Vegetación: Plantar árboles y arbustos que bloqueen la radiación solar.
Para reducir la ganancia térmica en un edificio, se pueden usar materiales aislantes, instalar ventanas de doble acristalamiento, utilizar colores claros en las fachadas, y diseñar sistemas de sombreado como toldos o vegetación.
Ganancia Térmica en Edificios con Fachada Ventilada
La ganancia térmica es un aspecto crucial en el diseño de edificios con fachadas ventiladas. Este tipo de construcción permite mejorar la eficiencia energética y el confort térmico dentro de los edificios.
Conceptos Básicos de Fachadas Ventiladas
Las fachadas ventiladas son un tipo de envolvente arquitectónica que incluye una capa de aire entre la pared exterior y el aislamiento del edificio. Esta capa de aire ayuda a gestionar la ganancia térmica al crear un sistema de ventilación natural. Fachada ventilada: Es un sistema constructivo que incluye una capa de aire entre la pared exterior y el aislamiento del edificio, facilitando la ventilación y reduciendo la ganancia térmica.
Las principales características de una fachada ventilada son:
- Mejoramiento del aislamiento térmico
- Reducción de la carga térmica en el interior
- Mantenimiento de la temperatura interior más estable
- Facilitación de la evaporación de la humedad
Para un entendimiento más profundo, las fachadas ventiladas usan el principio de convección para mover el aire caliente fuera del edificio. Esto se consigue mediante la creación de una corriente de aire que asciende a través de la capa de aire, lo que ayuda a enfriar las paredes exteriores. La eficiencia de este sistema depende de variables como: El grosor de la capa de aire, La velocidad del aire, El material de la fachada, La orientación del edificio. La orientación del edificio juega un papel crucial en la efectividad de la fachada ventilada.
Impacto de la Ganancia Térmica en Edificios con Fachada Ventilada
La ganancia térmica afecta la eficiencia energética y el confort térmico en los edificios con fachadas ventiladas. Entender cómo este tipo de fachada influye en la ganancia térmica puede ayudarte a tomar decisiones informadas sobre los materiales y técnicas de construcción.
Ejemplo: Considera un edificio con una fachada ventilada en un clima cálido. Durante el verano, el aire caliente puede acumularse en la cavidad ventilada. Sin embargo, debido a la ventilación natural, este aire caliente se desplaza hacia arriba y se expulsa, reduciendo la transferencia de calor al interior del edificio.
Técnicas para Optimizar la Ganancia Térmica
Para optimizar la ganancia térmica en edificios con fachada ventilada, puedes implementar diferentes estrategias:
- Uso de materiales reflectantes: Reduce la absorción de calor en la fachada externa.
- Incorporación de ventilación pasiva: Aprovecha las corrientes de aire natural para enfriar el edificio.
- Implementación de plantas en fachadas: Utiliza vegetación para sombrear y enfriar naturalmente.
Ganancia de Calor y Termorregulación Humana
La termorregulación, regulación térmica o regulación de la temperatura es la capacidad que tiene un organismo biológico para modificar su temperatura dentro de ciertos límites, incluso cuando la temperatura circundante es bastante diferente del rango de temperaturas-objetivo. El término se utiliza para describir los procesos que mantienen el equilibrio entre ganancia y pérdida de calor. El cuerpo humano tiene una temperatura interna de 37 °C, mientras que la temperatura cutánea es de 33,5 °C.
El ser humano es un organismo homeotermo y endotermo, lo cual implica que, a pesar de grandes variaciones en la temperatura ambiental, la producción de calor interna equilibra la pérdida de calor dando como resultado una temperatura corporal estable. Este equilibrio se conoce como balance calórico o flujo calórico. En condiciones de reposo, la producción de calor depende especialmente de la actividad metabólica de los órganos internos como el cerebro y los órganos de las cavidades abdominal y torácica como, por ejemplo, el hígado, los intestinos, el riñón y el corazón. La sangre, impulsada y distribuida por el sistema cardiovascular, es el principal medio que transporta el calor (por convección) del núcleo a la región cutánea.
Mecanismos de Intercambio de Calor
Hay dos mecanismos de intercambio de calor entre el cuerpo de un animal, incluido el humano, y el ambiente: pérdida evaporativa de calor e intercambio de calor no evaporativo. El intercambio de calor no evaporativo representa la suma de los flujos de calor debidos a radiación, convección y conducción. Como el calor fluye en sentido contrario al gradiente de temperatura, el calor del cuerpo se disipa al ambiente siempre que el ambiente este más frío que el cuerpo. La temperatura corporal de los endotermos, como el humano, es generalmente superior a la temperatura ambiental, por lo cual la mayor parte del calor que producen estos organismos se pierde por radiación, conducción o convección. Cuando la temperatura ambiental es superior a la corporal, la evaporación es la única forma de pérdida de calor, constituyéndose en un mecanismo esencial para el mantenimiento de la homeotermia.
Como todo cuerpo con temperatura mayor que 0 K, los seres vivos también irradian calor al ambiente por medio de ondas electromagnéticas. La superficie del cuerpo absorbe una gran cantidad de calor como radiación infrarroja. Si la temperatura del medio circundante es inferior a la del cuerpo, la transferencia ocurre del cuerpo al ambiente (pérdida), sino, la transferencia se invierte (ganancia). En este proceso se pierde el 3% del calor, si el medio circundante es aire a temperatura normal. Así se pierde el 12% del calor. La ropa disminuye la pérdida. Si existe una corriente de aire (viento o ventilador mecánico) se produce una convección forzada y la transferencia es mayor. Si no hay aire más fresco para hacer el reemplazo el proceso se detiene.
Para pasar de la fase líquida a la gaseosa del agua es necesaria energía. Cuando eso se produce en la superficie del cuerpo se pierde energía en forma de calor. La evaporación se produce por dos mecanismos: por evaporación insensible o perspiración y por transpiración perceptible o sudoración. Mediante la evaporación del sudor se pierde el 27% del calor corporal, debido a que el agua tiene un elevado calor específico, y para evaporarse necesita absorber calor, y lo toma del cuerpo, el cual se enfría. La pérdida de calor respiratoria se produce a través de convección y evaporación. El componente evaporativo se origina cuando el aire inhalado, calentado y saturado con agua, es liberado al ambiente durante la espiración.
Regulación de la Ganancia de Calor Corporal
En el hipotálamo se encuentra el "termostato" del organismo; son estructuras nerviosas, encargadas de controlar y regular la temperatura corporal. La temperatura con que la sangre llega al hipotálamo será el principal determinante de la respuesta corporal a los cambios climáticos. Ya que el hipotálamo es el centro integrador que funciona como termostato y mantiene el equilibrio entre la producción y la pérdida de calor.
Cuando el cuerpo se calienta de manera excesiva, se envía información al área preóptica, ubicada en el cerebro, por delante del hipotálamo. Este desencadena la producción de sudor. Cuando la temperatura corporal aumenta, los vasos periféricos se dilatan y la sangre fluye en mayor cantidad cerca de la piel favoreciendo la transferencia de calor al ambiente. La temperatura ambiente elevada produce pérdida de calor por vasodilatación cutánea, sudoración y menor producción de calor. Si la humedad ambiental es alta, no se producen corrientes de convección y la sudoración disminuye, el cuerpo comienza a absorber calor y se genera un estado de fiebre.
Para mantener la homeostasis de la temperatura el ser humano utiliza dos mecanismos: termorregulación comportamental y termorregulación autónoma. La termorregulación comportamental consiste en el ajuste consciente del ambiente térmico a fin de mantener el confort. La termorregulación autónoma es el proceso mediante el cual, a través del sistema nervioso autónomo, mecanismos internos controlan la temperatura corporal de manera subconsciente y precisa. Este control involucra dos mecanismos, uno asociado con la disipación de calor, y el otro, con su producción y conservación.
Cuando disminuye la temperatura se activa el hipotálamo posterior y a través del sistema nervioso simpático se produce la disminución del diámetro de los vasos sanguíneos cutáneos; esta es la razón por la cual la gente palidece con el frío. Este efecto disminuye la conducción de calor desde el núcleo interno a la piel. En consecuencia, la temperatura cutánea disminuye y se acerca a la temperatura ambiental, de esta manera se reduce el gradiente que favorece la pérdida de calor.
La estimulación del sistema nervioso simpático provoca la contracción de los músculos erectores, ubicados en la base de los foliculos pilosos, lo que ocasiona que se levanten. Esto cierra los poros y evita la perdida de calor. también crea una capa densa de aire pegada al cuerpo. La erección del pelo amplía la capa de aire en contacto con la piel, disminuyendo los movimientos de convección del aire y, por lo tanto reduciendo la pérdida de calor.