FANGER

Introducción

La falta de confort térmico es uno de los principales factores de riesgo ergonómico y está íntimamente relacionado con la aparición de trastornos músculo-esqueléticos.

Para que una determinada situación pueda considerarse térmicamente confortable debe cumplirse, como condición básica, que permita a los mecanismos fisiológicos encargados de la termoregulación alcanzar el equilibrio térmico; es decir, que el cuerpo sea capaz de equilibrar el calor ganado (de origen metabólico o procedente del entorno) y el calor eliminado mediante diferentes procedimientos.

Sin embargo, alcanzar el equilibrio térmico no garantiza el confort. El cuerpo humano es capaz de equilibrar el balance térmico en situaciones en las que no existe confort, por lo que para valorar si existe dicha sensación deben considerarse otros factores ambientales; por ejemplo, para que exista el confort es necesario que la cantidad de sudor excretado o la temperatura de la piel estén situados dentro de ciertos límites. Además, las situaciones de confort dependen de de la actividad que se esté realizando. Por ejemplo, al aumentar el nivel de actividad (y por lo tanto el consumo metabólico) la cantidad de sudor evaporado debe crecer para mantener el confort, mientras que la temperatura de la piel debe decrecer.

Existen diversos métodos que pretenden evaluar en qué medida se alcanza el confort térmico en una determinada situación pero la mayoría de ellos no consideran variables que en un ambiente industrial son de gran importancia como la presencia de calor radiante, la intensidad de trabajo, etc., por lo que su utilidad en el campo laboral es muy limitada.

Fue P.O. Fanger (Thermal Confort, McGraw-Hill, 1973) quién elaboró un procedimiento que contemplaba las diferentes variables que influyen en la valoración del ambiente térmico en un entorno laboral. El método de Fanger considera el nivel de actividad, las características de la ropa , la temperatura seca, la humedad relativa, la temperatura radiante media y la velocidad del aire. Todas estas variables influyen en los intercambios térmicos hombre-entorno, afectando a la sensación de confort.

El método de Fanger, en la actualidad uno de los más extendidos para la estimación del confort térmico, calcula dos índices denominados Voto medio estimado (PMV-predicted mean vote) y Porcentaje de personas insatisfechas (PPD-predicted percentage dissatisfied), que indican la sensación térmica media de un entorno y el porcentaje de personas que se sentirán inconfortables en un ambiente determinado. Esto resulta de gran interés no sólo cuando se trata de evaluar una situación sino cuando se pretende proyectar o modificar un ambiente térmico. La importancia y aplicación generalizada del método queda patente en su inclusión como parte de la norma ISO 7730 relativa a la evaluación del ambiente térmico.

El Voto medio estimado es un índice que refleja el valor medio de los votos emitidos por un grupo numeroso de personas respecto a una situación dada en una escala de sensación térmica de 7 niveles (frío, fresco, ligeramente fresco, neutro, ligeramente caluroso, caluroso, muy caluroso), basado en el equilibrio térmico del cuerpo humano (la diferencia entre la producción interna de calor del cuerpo y su pérdida hacia el ambiente).

El Voto medio estimado predice el valor medio de la sensación térmica, no obstante, los votos individuales se distribuirán alrededor de dicho valor medio, por lo que resulta útil estimar el Porcentaje de personas insatisfechas por notar demasiado frío o calor, es decir aquellas personas que considerarían la sensación térmica provocada por el entorno como desagradable.

 Recuerda...

La condición básica para que exista Confort Térmico es que los mecanismos fisiológicos encargados de la termoregulación logren alcanzar el equilibrio térmico, es decir, que el cuerpo sea capaz de equilibrar el calor ganado y el calor eliminado.

Otras variables que influyen en el Confort Térmico son: el nivel de actividad, las características de la ropa , la temperatura seca, la humedad relativa, la temperatura radiante media y la velocidad del aire.

 Recuerda...

El Método de Fanger calcula dos índices:

El Voto medio estimado refleja el valor medio de los votos emitidos por un grupo numeroso de personas respecto a una situación dada en una escala de sensación térmica de 7 niveles.

El Porcentaje de personas insatisfechas es el porcentaje de dichas personas que considerarían la sensación térmica provocada por el entorno como desagradable.

Mediante el cálculo del Voto medio estimado (PMV), el método Fanger permite valorar la sensación térmica global correspondiente a determinado ambiente térmico. El cálculo del Porcentaje de personas insatisfechas (PPD) permitirá predecir el porcentaje de personas que considerarán dicha situación como no confortable.

Aplicar el método de Fanger para valorar el confort térmico de un determinado entorno supone aplicar los pasos del siguiente procedimiento:

• 1 Recopilación de información sobre el entorno
• 1.1 Aislamiento de la ropa de los trabajadores en el entorno
• 1.2 Tasa metabólica de la actividad desarrollada
• 1.3 Características ambientales del entorno
• - Temperatura del aire
• - Temperatura radiante
• - Humedad relativa o presión parcial del vapor de agua
• - Velocidad relativa del aire
• 2 Cálculo del Voto medio estimado (PMV)
• 3 Cálculo de Porcentaje estimado de insatisfechos (PPD) a partir del valor del PMV.
• 4 Análisis de resultados
• 4.1 Valoración de la situación (satisfactoria o no adecuada) en función del valor del PMV y del PPD
• 4.2 Análisis del balance térmico correspondiente a las condiciones evaluadas
• 5 Proponer las correcciones oportunas de mejora de las condiciones térmicas (si es necesario)
• 6 En caso de haber realizado correcciones, evaluar de nuevo la tarea con el método para comprobar su efectividad.

 Recuerda...

...las unidades para medir el aislamiento térmico de la ropa son el clo, o índice de indumento, y el metro cuadrado kelvin por vatio (m²K/W).

Como ejemplo del rango de valores habitual del aislamiento térmico, la ropa Ligera (de verano) proporciona 0,5 clo, un traje completo 1 clo, y un uniforme militar de invierno 1,5 clo.

En cualquier caso es necesario considerar ciertas limitaciones en la aplicabilidad del método de Fanger. Según las recomendaciones de la norma ISO 7730 "Ergonomía del ambiente térmico", el índice del Voto medio estimado (PMV) sólo debería utilizarse para evaluar ambientes térmicos en los que las variables implicadas en el cálculo permanecieran comprendidas dentro de los siguientes intervalos (que equivalen a ambientes térmicos entre frescos (-2) y calurosos (2)):

• Tasa metabólica comprendida entre 46 y 232 W/m² (entre 0,8 met. y 4 met).

• Aislamiento de la ropa entre 0 y 0,31 m² K/W (0 clo. y 2 clo ).

• Temperatura del aire entre 10 Cº y 30 Cº.

• Temperatura radiante media entre 10 Cº y 40 Cº.

• Velocidad del aire entre 0 m/s y 1 m/s.

• Presión del vapor de agua entre 0 y 2700 Pa.

El método está especialmente diseñado para el estudio de condiciones ambientales estacionarias, aunque resulta una buena aproximación ante pequeñas variaciones de las condiciones en estudio utilizándose en este caso valores medios ponderados en el tiempo (en concreto en la hora precedente).

Estimación del aislamiento de la ropa

Para aplicar el método es necesario conocer el grado de aislamiento que la ropa habitual o de trabajo proporciona al usuario. Sin embargo, conocer exactamente el aislamiento que proporcionan las prendas es una tarea complicada. La solución más conveniente es estimar el aislamiento, para lo cual existen diferentes procedimientos como, por ejemplo, los indicados en las normas ISO 7730 e ISO 9920.

Estas tablas permiten el cálculo del aislamiento térmico de la ropa a partir de combinaciones habituales de prendas, o bien mediante la selección personalizada de las prendas que configuran el atuendo del trabajador. Además, si la actividad se realiza en posición sentada, permite añadir al aislamiento calculado para la ropa el proporcionado por el asiento.

Las unidades para medir el aislamiento térmico de la ropa son el clo. y los metros cuadrados kelvin por vatio (m²K/W). Para la obtención del Voto Medio Estimado se requiere el valor del aislamiento de la ropa medido en m²K/W. Si se dispone de la medida en unidades clo. se aplicará la siguiente conversión: 1 clo. = 0,155 m²K/W.

El software de Ergonautas del método Fanger permite calcular el aislamiento de la ropa mediante diversos procedimientos. Además dispones de la utilidad AIS de Ergonautas. En cualquier caso, la Tabla 1 puede orientar al evaluador sobre el rango de valores que puede tomar la variable aislamiento térmico de la ropa.

TIPO DE ROPA	AISLAMIENTO (clo.)
Desnudo	0 clo.
Ropa Ligera (ropa de verano)	0.5 clo.
Ropa Media (traje completo)	1 clo.
Ropa Pesada (uniforme militar de invierno)	1.5 clo.

Tabla 1:

Valores del aislamiento de la ropa en clo., según INSHT-NTP74.

La Tasa metabólica

La tasa metabólica mide el gasto energético muscular que experimenta el trabajador cuando desarrolla una tarea. Gran parte de dicha energía es transformada directamente en calor. Aproximadamente sólo el 25% de la energía es aprovechada en realizar el trabajo, el resto se convierte en calor.

El cálculo de la tasa metabólica será necesario no sólo como variable para la estimación del bienestar térmico mediante el Voto Medio Estimado, sino también para la evaluación de la carga física asociada a la tarea, al observarse una relación directa entre la dureza de la actividad desarrollada y el valor de la tasa metabólica.

Por ejemplo, según la NTP177, el desarrollo de un trabajo ligero supone una tasa metabólica inferior a 1600 Kcal en una jornada de 8 horas, entre 1600 y 2000 si el nivel de actividad es medio y superior a 2000 si el trabajo es duro.

El software de Ergonautas del método Fanger permite calcular la tasa metabólica mediante diversos procedimientos. Además dispones de la utilidad MET de Ergonautas. En cualquier caso, pueden aplicarse cinco procedimientos normalizados de diferente grado de precisión para calcular la tasa metabólica:

Si la tasa metabólica varía en el tiempo debe calcularse su valor medio ponderado durante una hora. La Tabla 2 muestra los valores de la tasa metabólica en función de la actividad desarrollada y puede servir al evaluador como primera aproximación.Para el cálculo del Voto Medio Estimado la variable Tasa metabólica deberá estar medida en W/m², si se dispone de la medida en unidades met. se aplicará la siguiente conversión: (1 met. = 58,15 W/m²)

CLASE	TASA (W/m²)	EJEMPLOS DE ACTIVIDADES
Descanso	65	Descansando, sentado cómodamente.
Tasa metabólica baja	100	Escribir, teclear, dibujar, coser, anotar contabilidad, manejo de herramientas pequeñas, caminar sin prisa (velocidad hasta 2,5 Km/h)
Tasa metabólica moderada	165	Clavar clavos, limar, conducción de camiones, tractores o máquinas de obras, caminar a una velocidad de entre 2,5 Km/h a 5,5 Km./h.
Tasa metabólica alta	230	Trabajo intenso con brazos y tronco, transporte de materiales pesados, pedalear, empleo de sierra, caminar a una velocidad de 5,5 Km/h hasta 7 Km./h.
Tasa metabólica muy alta	260	Actividad muy intensa, trabajo con hacha, cavado o pelado intenso, subir escaleras, caminar a una velocidad superior a 7 Km/h.

Tabla 2:

Tasas metabólicas medias según actividad desarrollada (ISO 8996).

Caracterización térmica del entorno

Las características térmicas del entorno que es necesario medir para la aplicación del método son:

• La temperatura del aire medida en grados Celsius.
  Si se dispone de la medida en Kelvin se aplicará la siguiente conversión: T(Cº)=(T(K) - 273)

• La temperatura radiante media medida en grados Celsius.
  Se corresponde con el intercambio de calor por radiación entre el cuerpo y las superficies que lo rodean. Deberá indicarse en grados Celsius. La temperatura radiante media se puede calcular a partir de los valores medidos de la temperatura seca, la temperatura de globo y la velocidad relativa del aire leidas empleando un psicrómetro y mediante la siguiente ecuación:

  

  En la que:

  • Trm es la temperatura radiante media medida en grados celsius (Cº)

  • Tg es la temperatura de globo medida en grados celsius (Cº)

  • Va es la velocidad del aire medida en metros por segundo (m/s)

  • Ts es la temperatura de termómetro seco medida en grados celsius (Cº)

• La humedad relativa medida en porcentaje.
  El método permite también realizar los cálculos empleando la presión parcial del vapor de agua medida en Pa.

• La velocidad relativa del aire.
  Medida en metros por segundo (m/s).

Una vez finalizada la fase de recogida de información se debe cálcular el Voto Medio Estimado (PMV). El Voto medio estimado es un índice que refleja el valor medio de los votos emitidos por un grupo numeroso de personas respecto a una situación dada en una escala de sensación térmica de 7 niveles (frío, fresco, ligeramente fresco, neutro, ligeramente caluroso, caluroso, muy caluroso), basado en el equilibrio térmico del cuerpo humano.

Para realizar el cálculo se empleará la ecuación de confort de Fanger. Esta ecuación, que se muestra más abajo, es una ecuación paramétrica cuya resolución requiere de cálculos iterativos. Por ello es conveniente contar con el apoyo de un software para obtener el valor de PVM. De forma alternativa pueden emplearse tablas normalizadas como las de la norma ISO 7730, aunque en este caso debe obtenerse previamente la temperatura operativa en la recopilación de datos inicial.

Ecuación de confort de Fanger

Obtenido el voto medio estimado mediante la ecuación de confort, se comparará su valor en la escala de sensación térmica de la Tabla 3, con el fin de determinar la sensación térmica global percibida por la mayoría de los trabajadores correspondiente a las condiciones evaluadas.

 En la ecuación de confort...

Las variables corresponden a:
• M es la tasa metabólica en W/m²
• V es la potencia mecánica efectiva en W/m² (puede estimarse en 0)
• I_cl es el aislamiento de la ropa en m²K/W
• f_cl es el factor de superficie de la ropa
• t_a es la temperatura del aire en Cº
• t_r es la temperatura radiante media en Cº
• v_ar es la velocidad relativa del aire en m/s
• p_a es la presión parcial del vapor de agua en pascales
p_a = RH/100*exp(16.6536-4030.183/ (t_a + 235))
Donde: RH es la humedad relativa del aire medida en porcentaje
• h_c es el coeficiente de transmisión del calor por convección en W/(m²K)
• t_cl es la temperatura de la superficie de la ropa en Cº

PMV	SENSACIÓN TÉRMICA
+3	Muy caluroso
+2	Caluroso
+1	Ligeramente caluroso
0	Neutro
-1	Ligeramente fresco
-2	Fresco
-3	Frio

Tabla 3:

Sensación térmica en función del valor del voto medio estimado.

Conocido el voto medio estimado es posible calcular el Porcentaje de personas insatisfechas (PPD) en el entorno térmico evaluado. Este indice estima la dispersión de los votos de las personas alrededor del PVM obtenido, y representa el porcentaje de personas que considerarían la sensación térmica como desagradable, demasiado fría o calurosa.

Para realizar el cálculo se emplea la siguiente ecuación:

Cálculo del Porcentaje de personas insatisfechas (PPD)

Figura 1:

Porcentaje de personas insatisfechas PPD = 15,31%, correspondiente a un valor del PMV= -0,7

Si el valor del voto medio estimado (PMV) está en el rango de valores comprendidos entre -0,5 y 0,5 la situación térmica es satisfactoria y confortable para la mayoría de las personas. En otro caso la situación se considerará inadecuada y por tanto deberían implantarse medidas correctoras para mejora la sensación térmica.

Valores del porcentaje de personas insatisfechas (PPD) de hasta 10% reflejarán una situación satisfactoria para la mayoría de las personas (90% satisfechos), mientras que valores superiores indicarán una situación de inconfort térmico. Dicho valor del PPD (10%) se corresponde con los límites -0,5 y 0,5 indicados para el PMV.

El mejor valor del porcentaje de personas insatisfechas que se puede obtener es de un 5%, correspondiente a una situación de neutralidad térmica, o lo que es lo mismo, con un valor cero del voto medio estimado. La ecuación no contempla por tanto la situación ideal de que no exista ningún trabajador insatisfecho con las condiciones térmicas, estimando que en las mejores condiciones de confort térmico al menos un 5% puede no estar conforme.

El análisis de los valores obtenidos en los diferentes términos de la ecuación de confort de Fanger, que identifican los diferentes mecanismos de perdida de calor, puede orientar al evaluador sobre los aspectos térmicos más desfavorables y sobre los que es más urgente intervenir. Por ejemplo, en la Figura 2 se muestra una representación gráfica de cada uno de los términos de la ecuación de balance térmico para una situación en la que el valor del PMV es -0,7. El balance muestra que existe pérdida de calor global (6.54 W/m²) y la cantidad que es transferida al ambiente por cada mecanismo fisiológico.

El cálculo del voto medio estimado y del porcentaje de personas insatisfechas permite identificar situaciones de incomodidad térmica percibidas por el cuerpo en su conjunto, sin embargo existen una serie de factores tales como las corrientes de aire, la diferencia de temperatura vertical, la existencia de techos, paredes o suelos fríos o calientes (asimetría de la temperatura radiante), que pueden provocar incomodidad al trabajador aun cuando la situación global haya sido valorada como satisfactoria por el método Fanger. Así pues, en tales casos debería completarse la evaluación con el estudio de la llamada "incomodidad térmica local".

• Ergonomía del ambiente térmico, Une-en Iso 7730:2006

• Ergonomía del ambiente térmico, Une-en Iso 8996:2004

• Fanger, P.O., 1972. Thermal Confort. Mc Graw Hill, New York.

• INSHT- NTP 323, Determinación del metabolismo energético.

• INSHT- NTP 74, Confort térmico - Método de Fanger para su evaluación.

• INSHT- NTP 177, La carga física de trabajo: definición y evaluación.

• INSHT- NTP 501, Ambiente térmico: inconfort térmico local.

• INSHT- NTP 322, Valoración del riesgo de estrés térmico: índice WBGT.

• Diego-Mas, Jose Antonio. Evaluación del confort térmico con el método de Fanger. Ergonautas, Universidad Politécnica de Valencia, 2015. Disponible online: https://www.ergonautas.upv.es/metodos/fanger/fanger-ayuda.php