Calentar a la gente, no al edificio

Anker_Die_Bauern_und_die_Zeitung_1867Hoy en día conseguimos una temperatura agradable durante el invierno calentando todo el aire contenido en la habitación o la edificación. En tiempos pasados, el concepto de calefacción usado por nuestros ancestros era más localizado: calentar a la gente, no al edificio.

Ellos usaban fuentes de calor radiante que sólo calentaban una parte de la habitación, creando un microclima confortable. Contrarrestaban las grandes fluctuaciones de temperatura con muebles aislantes como sillas encapuchadas y biombos, y utilizaban fuentes de calor adicionales para calentar ciertas partes del cuerpo.

Sería bastante sensato retomar estos viejos métodos de calentamiento, especialmente ahora cuando la tecnología moderna lo ha hecho mucho más práctico, seguro y eficiente.

Ilustración: Personas reunidas junto a una estufa de ladrillos.
“Die Bauern und die Zeitung”, pintura de Albert Anker, 1867.

La mayoría de los sistemas actuales de calefacción se basan en calentar el aire. Parece una opción obvia, pero hay alternativas mucho más válidas. Hay tres tipos -sensatos- de transferencia de calor: convección (calentamiento del aire), conducción (calentamiento mediante el contacto físico), y radiación (calentamiento mediante ondas electromagnéticas).

El viejo estilo de calefacción estaba basado en radiación y conducción, los cuales son más eficientes que la convección. Mientras que la convección implica el calentamiento de cada centímetro cúbico del aire contenido en un espacio para mantener cómodas a las personas presentes en ella, la radiación y la conducción pueden transferir el calor directamente quienes lo necesitan, usando la energía independientemente del tamaño de la habitación o edificio.

Conducción, Convección, Radiación

Primero que nada, veamos con más detalle los diferentes métodos de transferencia de calor.

La conducción y la convección están muy relacionadas entre sí. La conducción se refiere a la transferencia de energía debido al contacto físico entre dos objetos: el calor fluye desde el objeto más caliente al más frío. La velocidad a la cual esto sucede depende de la resistencia térmica de la sustancia. Por ejemplo, el calor se transfiere mucho más rápidamente a través del metal que a través de la madera, debido a que el metal tiene una menor resistencia térmica. Esto explica por qué un objeto frío de metal se siente más frío que uno de madera a la misma temperatura.

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Imagen: Transferencia de calor por convección desde el cuerpo al ambiente.

La conducción no ocurre únicamente entre objetos macizos, sino también entre éstos y los gases (como el aire), y mutualmente entre gases. Todo objeto físico más cálido que el aire que lo rodea calentará el aire circundante mediante la conducción. Por sí mismo, éste efecto es limitado debido a que el aire tiene una alta resistencia térmica –por eso es que se utiliza como base de muchos materiales aislantes. Sin embargo, el aire que es calentado mediante conducción se expande y se eleva. Su lugar es ocupado por aire más frío, el cual se calienta y se expande y se eleva, y así sucesivamente. La corriente de aire cálido que se levanta sobre cada objeto que está más caliente que el aire circundante se llama convección.

Radiación, la tercera forma de transferencia de calor sensata, funciona de un modo muy distinto a la conducción y convección. La energía radiante se tranfiere a través de ondas electromagnéticas, similares a la luz o el sonido. Para ser precisos, utiliza la parte del espectro electromagnético conocida como Radiación Infrarroja. La radiación no necesita de un medio (como el aire o el agua) para transferir calor. Puede funcionar en el vacío y es la forma más importante de transferencia de calor en el espacio exterior. La principal fuente de energía radiante es El Sol, pero todos los objetos en La Tierra emiten energía infrarroja siempre que su masa y su temperatura sean mayor al cero absoluto. Ésta energía puede ser absorbida por otros objetos con menor temperatura. La energía radiante no posee temperatura propia; sólo cuando impacta un objeto que tenga masa la energía puede ser absorbida y convertida en calor.

Comodidad Térmica con Aire a Bajas Temperaturas

Debido al uso generalizado de sistemas centrales de calefacción (y enfriamiento), llegamos a creer que nuestro confort térmico depende principalmente de la temperatura del aire. Sin embargo, el cuerpo humano intercambia calor con el ambiente a través de convección, radiación, conducción y evaporación (un modo de transferencia de calor “latente”). La convección está relacionada con el intercambio de calor entre la piel y el aire circundante, la radiación es el intercambio de calor entre la piel y las superficies cercanas, la evaporación se realiza mediante la pérdida de humedad sobre la piel, y la conducción es el intercambio de calor entre la piel y los objetos que la tocan.

Si se incrementa la parte de la radiación o conducción dentro del total de la cantidad de calor tranferida, las personas podrán estar cómodas en un ambiente con aire a una menor temperatura durante la época más fría.

Durante el invierno podemos estar cómodos con el aire a menor temperatura si incrementamos la cantidad de radiación o conducción involucradas en proceso de transferencia de calor. Lo opuesto también es cierto: la conducción y la radiación pueden hacer que las personas se sientan incómodas a pesar de estar en un ambiente cálido. Por ejemplo, alguien que esté descalzo sobre un piso frío sentirá frío aunque el aire esté a 21ºC (70ºF). Esto es debido a que el cuerpo pierde calor por conducción a través del piso. Una taza de sopa caliente en las manos, calefacción del piso, o un asiento caliente tienen el efecto opuesto porque transmiten su calor al cuerpo mediante la conducción.

El calor radiante también puede hacer que las personas se sientan más cómodas con bajas temperaturas del aire. El ejemplo más obvio es la luz solar directa. En primavera o en otoño podemos sentarnos cómodamente bajo el sol usando sólo una franela aunque el aire esté relativamente frío. A tan sólo un metro bajo la sombra ya puede ser necesario usar un abrigo aunque el aire esté casi a la misma temperatura. Durante el verano, preferimos la sombra. La diferencia viene dada por la energía radiante del Sol, que calienta el cuerpo al estar expuesto a su luz. Ésta “temperatura radiante” (la cual puede ser medida con un termómetro de globo negro) permite un mayor confort térmico durante el invierno, cuando el aire está a una temperatura menor.

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Los sistemas de calefacción radiante compensan una menor temperatura del aire con una mayor temperatura radiante, mientras que los sistemas de calentamiento del aire compensan una menor temperatura radiante con una mayor temperatura del aire. La temperatura operativa –un promedio ponderado de ambas- puede ser la misma. Fuente: Manual de Calentamiento Y Enfriamiento Radiante, Richard Watson, 2008.

Hay que señalar que en La Tierra, la radiación va de la mano con la convección. Como el aire tiene una masa muy leve, la radiación solar no calienta el aire directamente sino de forma indirecta. La energía radiante del Sol es absorbida por la superficie terrestre, donde se convierte en calor. La superficie de La Tierra, tras ser calentada, libera poco a poco ese calor al aire a través de los mecanismos de conducción y convección ya descritos. En otras palabras, no es el Sol sino la superficie de la Tierra quien calienta el aire de nuestro planeta.

La temperatura radiante es igualmente importante cuando se ha de calentar un edificio, sin importar cuál sistema de calefacción sea empleado. Dentro del mismo, la temperatura radiante representa el total de la radiación infrarroja intercambiada por todas las superficies de la habitación. Los sistemas de calefacción radiante, que discutiremos más adelante, funcionan de un modo similar al Sol: no calientan el aire sino las superficies de un espacio (incluyendo la piel humana) incrementando la temperatura radiante y proveyendo mayor comodidad térmica con una menor temperatura del aire. El uso de calor radiante es más práctico en espacios interiores, donde los factores ambientales pueden ser controlados. Si la brisa comienza a soplar afuera, por ejemplo, el efecto calefactor del sol desaparece rápidamente.

No es el Sol sino la superficie de la Tierra quien calienta el aire de nuestro planeta.

No existe un sistema de calefacción 100% radiante debido a que tanto la fuente que se calienta como las superficies irradiadas tienen contacto con el aire, y lo calientan por conducción y convección. Sin embargo, éste calentamiento es más gradual y limitado que con un sistema de calentamiento directo del aire. Asimismo, un sistema calentador de aire también incrementa la temperatura radiantede un espacio debido a que el aire caliente entibia las superficies que lo contienen mendiante la conducción. Nuevamente, el incremento de la temperatura radiante por éste método es lento y limitado al compararlo con un sistema de calefacción radiante.

Al igual que con la conducción, la radiación puede incomodar a pesar de estar en un ambiente templado. Si estamos sentados junto a una ventana fría, nuestro cuerpo irradiará su calor a la superficie del cristal, haciéndonos sentir frío aún con una temperatura de 21ºC (70ºF). En pocas palabras: ni con aire templado ni con una alta temperatura radiante se puede garantizar la comodidad térmica. La mejor manera de comprender el comportamiento térmico de un espacio es mediante la “temperatura operativa”, la cual es un promedio ponderado de ambas.

El Viejo Estilo de Calentarse

Antes de la llegada de los sistemas de calefacción centralizada en el siglo XX, los edificios solían ser calentados mediante una fuente radiante central como una chimenea o una estufa de madera, carbón o gas. Usualmente sólo una de las habitaciones era calentada. Pero aún dentro de ésa habitación habían grandes diferencias de temperatura dependiendo de la ubicación escogida. Mientras que al calentar el aire el calor se distribuye de forma más o menos pareja por toda el área, una fuente radiante crea un microclima que puede ser totalmente distinto al del resto de la habitación.

Esto se debe a que el potencial energético de la fuente radiante disminuye con la distancia. Las ondas infrarrojas no se hacen más débiles sino más dispersas según se alejan de una fuente específica. Esto se muestra en las ilustraciones de abajo, que aparecen en el “Manual de Calentamiento Y Enfriamiento Radiante” de Richard Watson. El dibujo a la izquierda muestra la distribución del calor radiante (también llamado “paisaje radiante”) en una habitación vista desde arrriba, la cual es calentada por un sistema de calefacción mediante aire forzado. A excepción de la influencia causada por la superficie de una ventana fría (en la parte superior del gráfico), la temperatura radiante es relativamente constante a lo largo de la habitación.

spot heatingFuente: Manual de Calentamiento Y Enfriamiento Radiante. Richard Watson 2008

La ilustración a la derecha muestra la misma habitación, nuevamente con una temperatura radiante media de 20ºC (68ºF), pero ahora está siendo calentada con una fuente de calor radiante localizada en el centro del techo. Se trata de un panel eléctrico emisor de rayos infrarrojos de baja frecuencia (una nueva tecnología que explicaremos en la segunda parte de éste artículo), pero una hoguera en el medio de la habitación arrojaría un resultado similar. En éste caso el paisaje térmico es muy diferente. La mayor temperatura radiante se encuentra en el centro de la estancia, donde está el panel calefactor. La temperatura radiante decrece rápidamente hacia los bordes de la habitación en círculos concéntricos. La diferencia entre las temperaturas radiantes máximas y mínimas es mucho mayor que en el caso de un sistema de calentamiento de aire.

En una habitación calentada por aire no importa mucho en dónde estés. En una habitación calentada por una fuente radiante, la ubicación lo es todo.

Por supuesto, ubicar la fuente radiante en otro sitio, o combinar varias fuentes radiantes cambiarían por completo el paisaje térmico. Adicionalmente, al igual que ocurre con la radiación solar, los objetos pueden arrojar sombras; lo que implica que la hasta la posición de los muebles pueden afectar la distribución del calor dentro de la habitación. También hay que señalar que la distribución heterogénea será ligeramente nivelada por el carácter homogéneo de la temperatura del aire, independientemente del sistema de calefacción empleado.

Eficiencia Energética

En una habitación calentada por aire no importa mucho en dónde estés. En una habitación calentada por una fuente radiante, la ubicación lo es todo. La temperatura radiante media puede ser óptima, pero la temperatura radiante en algunos sitios del local podría ser muy baja. Pero también es posible que ocurra lo opuesto: tener una temperatura radiante media muy baja con zonas perfectamente confortables. Éste es el antiguo principio del calentamiento puntual o por zonas, que no se puede lograr con un sistema de calentamiento de aire. En lugar de calentar todo el espacio, nuestros ancestros sólo calentaban las partes habitadas de un edificio.

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Calefacción del aire (izquierda) vs. calefacción radiante (derecha) en un templo. Fuente: Calefacción Amigable con los Textiles, Dario Camuffo.

Algo similar ocurre en el plano vertical. El aire caliente se eleva, de modo que la mayor parte del calor termina junto al techo, donde no se necesita. Con la calefacción radiante es posible calentar únicamente la parte inferior del espacio sin importar cuán elevado esté el techo. El calor radiante no se eleva a menos que la fuente está orientada hacia arriba. En conclusión: un sistema de calentamiento radiante permite calentar sólo la parte ocupada del espacio en lugar de todo el volumen de aire contenido en el mismo, lo cual es mucho más eficiente desde el punto de vista energético.

A menos que la habitación sea muy pequeña o hayan muchas personas, sólo una pequeña parte de la energía usada por un sistema de calentamiento de aire puede beneficiar a sus ocupantes. Por otra parte, casi toda la energía usada por un sistema radiante es efectiva para calentar a las personas.

Aislamiento Localizado

Un problema con el clima interior heterogéneo en los viejos tiempos era la asimetría radiante –la diferencia de temperatura radiante entre varias partes del cuerpo. Alguien sentado junto al fuego recibe suficiente calor radiante de un lado de su cuerpo mientras pierde calor debido al aire y las superficies frías del lado opuesto de la habitación. El cuerpo puede estar balanceado térmicamente –la pérdida de calor de un lado equilibra la ganancia del otro- pero si la diferencia de temperatura es grande, no se logrará una comodidad térmica.

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Un banco con respaldo ajustable. Fuente: Diccionario de mobiliario y decoración después del siglo XIII, 1887-1890

El problema se ilustra en el grabado mostrado arriba. El respaldo del banco puede moverse de un lado al otro para sentarse de frente al fuego o de espaldas a él alternativamente. Aunque la asimetría radiante pueda ser un problema con sistemas de aire forzado, es más común que ocurra en espacios calentados por una fuente de calor radiante. En las construcciones más antiguas, la diferencia de temperatura en sus superficies era agravada por el hecho de que éstas no estaban aisladas. Las corrientes, otra causa de incomodidad térmica, también eran un problema en ésos edificios que no eran precisamente herméticos.

Para crear un microclima confortable sin asimetrías radiantes o corrientes, nuestros ancestros suplementaban la calefacción localizada con aislamiento localizado.

Para crear un microclima confortable sin asimetrías radiantes o corrientes, nuestros ancestros suplementaban la calefacción localizada con aislamiento localizado. Un ejemplo es la silla encapuchada. Ésta silla, la cual podía estar recubierta de cuero o con mantas de lana, permitían que el cuerpo quedara expuesto a una fuente radiante por el frente mientras los protegía de las corrientes y las bajas temperaturas por detrás.

Al mismo tiempo, la forma de los muebles permitía que la mayor parte del calor radiante proveniente del fuego fuera utilizado con efectividad: la silla era calentada directamente por la radiación, y éste calor era transmitido a la persona sentada en ella. Investigaciones recientes han demostrado que el valor del aislamiento de tales sillas era de al menos 0.4 clo, lo cual es similar al de un grueso pulóver o abrigo. Algunas sillas encapuchadas podían acoger a más de una persona.

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Arriba: sillas encapuchadas del siglo XIX. Fuentes: Period Oak Antiques (izquierda) y Polyvore (derecha).
Abajo: Un biombo plegable para uso invernal. Fuente: Alain Truong.

Otra solución era el biombo. Los biombos usados en tiempos invernales estaban construidos con madera maciza o aislados con telas. Podían colocarse detrás de una silla o una mesa, por ejemplo. Como las silla encapuchada, el biombo protegía a la persona de las bajas temperaturas o corrientes de aire a sus espaldas, creando un microclima agradable.

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Arriba: espacio para sentarse junto al fuego. (Fuente: The English Fireplace). Abajo: una cama con cuatro columnas. (Fuente: Wikipedia Commons)

Un tercer ejemplo de aislamiento localizado eran zonas especialmente acondicionadas junto al fuego. Podían ser bancos colocados entre el fuego y las paredes laterales de la hoguera, o un nicho en la pared con un asiento incorporado. En ambos casos, una persona podía recostarse contra una pared calentada por el fuego y protegida de las corrientes. En algunos casos, la propia hoguera estaba instalada en una habitación especial dentro de la estancia. El el dormitorio, que solía carecer de una hoguera, podía tener un mueble destinado a crear un microclima: una cama con cuatro columnas, la cual se cubría con gruesas cortinas por arriba y por los lados. Al cerrar las cortinas, se obstruían las corrientes y se acumulaba el calor corporal.

Sistemas de Calentamiento Portátiles

El principal defecto del calentamiento localizado es que debes permanecer en un sitio determinado para poder estar cómodo. En tiempos pasados, la familia se reunía junto a la hoguera o la estufa cuando no habían labores físicas que realizar, o cuando querían calntar el cuerpo después de pasar mucho tiempo en el frío. Los otros lugares de la estancia, así como las habitaciones que no eran calentadas, se destinaban para las actividades que requerían mayor metabolismo. Las personas “migrabas” alrededor de la habitación o de la casa buscando el clima más conveniente.

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“Escena familiar en el interior”, una pintura de Albert Anker, 1910

Sin embargo, el uso de fuentes de calor radiante y aislamiento localizado, se complementaban con fuentes de calor localizadas que transferían el calor mediante la radiación, convección y/o conducción. Podían utilizarse para mejorar el confort en la presencia de una fuente de calor central, y eran útiles para llevar algo de calidez a otros si tios. Los sistemas de calentamiento portátiles se diseñaban específicamente para calentar las manos o los pies: las partes más sensibles al frío.

Las fuentes de calor personales le permitían a las personas disfrutar del calor de la hoguera en habitaciones sin calefactar o fuera de la vivienda.

Un ejemplo es la estufa para pies, una caja con una o más divisiones perforadas que contenían una cazuela de metal o cerámica rellena de brasas provenientes de la hoguera. Los pies se apoyaban sobre la estufa y las largas prendas de vestir usadas durante la temporada fría aumentaban el efecto del dispositivo: el calor era conducido a través de las faldas o abrigos a lo largo de las piernas hasta el torso. La parte superior de la estufa se hacía de materiales con baja conductividad como la madera o la piedra, para evitar quemaduras en la piel.

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Izquierda: una estufa para pies holandesa (Wikipedia Commons)
Derecha: “Mujer joven calentando sus manos”, pintura de Caesar van Everdingen

En muchas culturas alrededro del mundo, fuentes de calor similares fueron usadas para calentar las manos. Se hacían de metal o cerámica y se rellenaban con brasas de la hoguera, carbón o turba. Éstas fuentes de calor personales también permitían disfrutar del calor de la hoguera fuera de la vivienda. Eran llevadas a los coches o vagones de tren sin calefacción, o a la Misa del domingo. Las personas pobres usaban piedras, ladrillos, o incluso papas calientes en sus bolsillos.

Para calentar la cama, se usaban bandejas de latón con un manillar largo que se insertaban bajo los colchones. Algunas camas tenían un vagón inferior: una gran estructura de madera que albergaba un recipiente con combustible y una llama justo en el centro de la cama. En el siglo XIX, junto con los servicios públicos de agua se popularizaron las botellas de agua caliente hechas de cerámica –el agua caliente es mucho más segura que una llama ardiente. Éstos dispositivos, que solían estar protegidos por una cubierta de tela, se usaban para calentar los pies, las manos, o las camas.

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Un “Korsi” afgano. Fuente desconocida

Algunas personas llevaron el concepto de la estufa para pies a un nivel superior. Los japoneses tenían su “kotatsu”, una pequeña mesa móvil con un calentador de carbón debajo. Una manta bastante gruesa era puesta encima para atrapar el calor y toda la familia deslizaba sus pies bajo la mesa mientras estabana sentados en el piso. Como sus contrapartes en Europa y Norteamérica, la ropa utilizada optimizaba el efecto del dispositivo: el calor del hornillo de carbón se transfería mediante el Kimono japonés tradicional a todo el cuerpo. Equipos similares se usaron en Afganistán (como el “Korsi”) así como en Irán, España y Portugal.

Sistemas de calentamiento Conductivo

Algunos sistemas de calentamiento radiante transferían algo de calor mediante la conducción, mejorando la eficiencia y el confort. Hace más de 3.000 años, los chinos y coreanos construyeron sistemas de calefacción que atrapaban los gases y el humo de la hoguera en una masa térmica. El “kang” (“cama calentada“) del norte de China era una plataforma elevada hecha de piedra, mampostería o adobe, que ocupaba la mitad de la habitación. Como su nombre lo indica, el kang era primeramente una cama calefactada, pero su plataforma también se usaba durante el día como un espacio cálido de trabajo y convivencia. El “dikang” (“piso calentado”), típico del noreste de China, funcionaba del mismo modo pero ocupaba una mayor extensión del piso.

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Arriba: un kang chino, fotografiado en la década de 1920. Fuente: Vagando por el Norte de China, Harry A. Franck.

Los coreanos usaban en “ondol” (“piedra calentada”), lo cual era una plataforma que abarcaba todo el piso. Un sistema similar existe en Afganistán, llamado “tawakhaneh” (“habitación caliente”) y tal vez sea el más antiguo de estos sistemas: se cree que se ha usado desde hace 4.000 años. En todos ellos, el calor del fuego era desviado por debajo de la plataforma hacia una chimenea del lado opuesto de la habitación. La hoguera y la chimenea podrían estar dentro de la estancia o en otra adyacente. El calor del humo y los gases se transferían a la masa térmica de la plataforma, y ésta liberaba el calor gradualmente a la habitación. Con estos sistemas, la conducción era tan importante como la convección y la radiación para sumar el total de calor transferido.

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Arriba: “Retrato de una Habitación de la Selva Negra con una Niña en la Estufa”, una pintura de Georg Saal, 1861. Abajo: “Sobre la Estufa”, una pintura de Albert Anker, 1895.

Éstos antiguos sistemas orientales de calefacción son vagamente similares a las estufas de ladrillo usadas en Europa durante la Edad media. Las estufas de ladrillos (o de mampostería, como se les conoce en los EE.UU.) acumulan calor en la gran masa térmica que los rodea al quemar madera a temperaturas muy altas, lo cual es más eficiente y limpio. Los gases son obligados a circular por un laberinto de canales para el humo, logrando transferir una gran cantidad de calor a la estructura de mampostería antes de salir por la chimenea.

Las estufas de ladrillos producen una gran cantidad de calor radiante, pero como también transfieren calor por conducción, muchas incorporaban plataformas que se utilizaban para sentarse o dormir. Aún cuando no las tuviesen, la gente solía colocar asientos junto a la estufa para apoyarse junto a la superficie cálida –siempre que no estuviera demasiado caliente.

Por Qué También Necesitamos Tecnología Moderna

En conclusión, todos los sistemas de calefacción de la historia han usado radiación y/o conducción como mecanismo primordial de transferencia de calor, siendo la convección un producto secundario. Tiene sentido retomar éste concepto de calentamiento, pero eso no significa que tengamos que usar hogueras ni lidiar con brasas vivas en la casa. Aunque el concepto antiguo de calentar sea más eficiente, no puede decirse lo mismo de la mayoría de los dispositivos usados para ello.

Aunque el concepto antiguo de calentar sea más eficiente, no puede decirse lo mismo de la mayoría de los dispositivos usados para ello.

Las hogueras, por un lado, son sumamente ineficientes dado que la mayor parte del calor escapa por la chimenea. También absorben mucho aire frío a través de las grietas y aberturas del edificio, lo cual enfría el aire del interior y crea molestas corrientes. Debido a ésto, las hogueras pueden llegar a tener una eficiencia negativa cuando se trata de la temperatura del aire: pueden hacer que la habitación sea más fría después de haber sido encendida. Las estufas son mejores, pero siguen siendo ineficientes, y al igual que las hogueras, deben ser encendidas periódicamente. Y en ambos casos, la contaminación del aire puede ser considerable.

Una estufa de ladrillo bien construida es el único sistema de calefacción antiguo que aún puede ser recomendado, pero hoy existen muchas más opciones, como los sistemas radiantes eléctricos, hidrónicos y los de calentamiento conductivo. Son mucho más eficientes, prácticos y seguros que los métodos de antaño. En el artículo de la próxima semana indagaremos sobre cómo los métodos antiguos de calentamiento pueden ser mejorados con la tecnología actual, y cuánta energía podemos ahorrar en el proceso.

Kris De Decker (traducido al español por Alexander López).

Fuentes (in orden de importancia):