Categoría: Seminarios | Bienestar higrotérmico
Autoras: Victoria Fernández Añez, Nagore Urrutia del Campo, Carmen Sánchez-Guevara Sánchez y Miguel Ángel Gálvez.
El 5º Seminario Re-Hab enfocado en el Bienestar Higrotérmico tuvo lugar el Martes 17 de Julio. Este seminario se desarrolló dentro del marco del proyecto financiado por el Plan Nacional titulado «Regeneración Urbana Integrada: la intervención en polígonos de vivienda de 1960 a 1980. Integración urbana, Cohesión social y Responsabilidad ambiental», dentro de los seminarios organizados periódicamente por el DUYOT.
El contenido del seminario fue elaborado y presentado por Dr. Miguel Ángel Gálvez, profesor titular del departamento de Física e Instalaciones aplicadas a la Edificación, al Medio Ambiente y al Urbanismo de la en E.T.S. de Arquitectura de Madrid y miembro del grupo de investigación giau+s, la investigadora Carmen Sánchez-Guevara como miembro del grupo de investigación ABIO, Nagore Urrutia del Campo , también como investigadora y miembro del grupo de investigación ABIO y la investigadora Victoria Fernández Áñez, que actualmente colabora en el DUyOT junto al Instituto Politécnico de Bragança, en el desarrollo del proyecto BIOURB sobre diversidad bioconstructiva.
Img.01. 5º Seminario Rehab. Img.02. Carmen Sánchez-Guevara, Nagore Urrutia, Victoria Fernñandez y Miguel Ángel Gálvez
La sesión se desarrolló en 4 partes diferenciadas. En primer lugar se contó con una introducción en la que se abordaron las variables físicas que describen el ambiente higrotérmico y se introdujeron las principales herramientas para el análisis del confort ambiental. En la segunda parte se trató el bienestar higrotérmico en interiores, mientras que en la tercera se centró en espacios exteriores. Finalmente se desarrollaron unas reflexiones finales como conclusión de la jornada.
1.INTRODUCCIÓN: EL AMBIENTE HIGROTÉRMICO
Como ambiente higrotérmico se entiende el definido por las características del aire húmedo. Las principales variables para su estudio son la temperatura y la humedad del aire, aunque la velocidad del aire y la temperatura radiante del entorno también juegan un papel fundamental.
La higrometría estudia el vapor de agua en el aire, en cantidad variable que depende de la temperatura. Para ello hace uso de las siguientes hipótesis:
– El aire es una mezcla física de gases, pues el aire húmedo es una mezcla de aire seco más vapor de agua.
– Estas sustancias gaseosas se comportan como gases ideales, cumpliendo la ecuación pV = nRT = mrT
– Se cumple el principio de conservación de la masa m = ms + mv
La higrometría se construye con dos tipos de magnitudes. Por un lado encontramos los índices de humedad: razón de mezcla, w (gvapor/kgaire seco); presión de vapor, pv (mbar); presión de vapor de saturación, pvSAT que es la máxima presión de vapor para una T dada, y humedad relativa, HR (%), que es la relación pv / pvSAT . Por el otro los índices de temperatura: la temperatura seca, Ts (ºC), la temperatura húmeda, Th (ºC) y la temperatura (punto) de rocío, Tr (ºC).
La principal herramienta de análisis de la higrometría es el diagrama psicrométrico, una representación gráfica de las relaciones entre variables. Se construyen, para cada presión atmosférica, interrelacionando las variables de: temperatura seca, humedad relativa, temperatura húmeda, razón de mezcla, entalpía específica, volumen específico y presión de vapor. Cada estado posible del aire se representa mediante un punto del diagrama. Basta conocer dos variables para determinar el resto.
Fig 01. Diagrama psicrométrico. Fuente:
El aire en movimiento interviene en los intercambios convectivos en la superficie de contacto entre un cuerpo y el aire, gobernados por la expresión:
q = h ( Ts – Tα )
En la que q es el flujo de calor debido a la diferencia entre la temperatura de la superficie del cuerpo Ts, y la del aire Tα, y h es el coeficiente de transmisión superficial del conjunto.
h depende de la geometría de la superficie, su rugosidad, su posición, de la diferencia de temperaturas y, especialmente, de la velocidad del aire.
La temperatura de los cuerpos es causa de su radiación electromagnética. Se cuantifica con la ley de Stefan-Boltzmann. La energía total radiada para todas las λ del espectro (área bajo la curva correspondiente) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura.
ET = σ T4
expresión en la que T es la temperatura absoluta, medida en K y σ es la constante de Stefan Boltzmann, cuyo valor es 5,66 x 10 –8 W/m2K4
De acuerdo con la Ley de Wien, el máximo de energía se desplaza hacia las mayores frecuencias conforme aumenta la temperatura. Por ello se dice que el sol (T≈5.000 K) radia en onda corta y los cuerpos en la superficie de la tierra, incluida la atmósfera, (T≈300 K) lo hacen en onda larga. Los cuerpos experimentan intercambios radiantes con sus alrededores. Si el balance es favorable, se calientan. En caso contrario, se enfrían.
La ecuación de balance para una superficie i dada puede escribirse:
Energía radiante neta por unidad de superficie = Energía radiada – Energía absorbida
Y conduce a expresiones de gran complejidad, lo que las hace difícil de calcular. Por ello habitualmente se miden. Los programas de simulación, sin embargo, dan buenas aproximaciones mediante la agrupación de variables (de temperatura del aire y de radiación) en nuevos parámetros. El efecto radiante de onda larga del cielo, obstáculos y suelo se agrupa en una nueva variable que se denomina temperatura radiante.
Tradiante = ( Fi-suelo Tsuelo+ Fi-cielo Tcielo+ Fi-obstáculos Tobstáculos )
Se define la temperatura equivalente Teq, a partir de las temperaturas del aire exterior Te y la temperatura radiante media de onda larga Tradiante
Teq = hc Te + hr Tradiante
Por último, se define una nueva temperatura llamada sol aire, Tsol-air
Tsol-air= Teq+α I/ hcr
De forma que el flujo de calor a través de la superficie exterior es:
q = hcr (Tsol-air – te)
Para facilitar el estudio de los intercambios radiantes de las personas con su entorno se construye un índice derivado, llamado Temperatura Media Radiante, que se define como la temperatura uniforme de un cuerpo negro con el que una persona intercambia la misma cantidad de calor que con el entorno.
2.HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS DEL BIENESTAR HIGROTÉRMICO.
Para comprender el concepto de confort térmico es necesario definir dos conceptos. En primer lugar, el concepto de calor metabólico, M. Las personas generan un calor metabólico sobrante, creciente según la actividad desarrollada. Este calor sobrante se cede al entorno. Por otro lado tenemos el calor disipado, Q, que se intercambia de dos formas: a través de la piel, Qp, como calor sensible (por radiación, convección o conducción) o latente (por evapotranspiración; o a través de la respiración, Qr, como calor sensible y latente.
Se define una situación de confort térmico como aquella en la que el trabajo de adaptación en las operaciones de dispersión del calor metabólico es mínimo.
Los parámetros que intervienen en el bienestar higrotérmico pueden separarse en parámetros relativos al medio (temperatura seca del aire, humedad del aire, velocidad del aire, temperatura radiante del entorno), y parámetros relativos al usuario (actividad metabólica, arropamiento).
Para lograr el bienestar, la temperatura del aire ha de situarse entre 20 y 26ºC, margen de temperaturas entre las que predomina el intercambio por radiación y convección. Las temperaturas más altas dificultan el intercambio por radiación y convección: predominando la evapotranspiración. Las temperaturas más bajas aceleran el intercambio produciéndose sensación de frío, que se compensa con escalofríos.
En lo que se refiere a humedad del aire, si esta es alta dificulta el intercambio por evaporación (que es fundamental para lograr el confort si la Ts es alta). Sin embargo, una humedad relativa muy baja dificultará el intercambio por evaporación.
La velocidad del aire influye en los intercambios de calor pues si es muy alta acelerará los intercambios producidos por convección. Las zonas del cuerpo de mayor sensibilidad a este parámetro son los tobillos y la nuca. El valor de la temperatura radiante del entorno determina el signo de los intercambios por radiación. La temperatura radiante puede ser causa de malestar local por asimetría radiante.
En lo que se refiere a parámetros del usuario, tenemos la actividad metabólica y el arropamiento. La actividad metabólica se mide en met, que equivalen a 58.2 W/m2piel ≈ 100 W., actividad que corresponde a un varón adulto de unos 70 kg de peso, trabajando sentado. El arropamiento se mide en clo (1 clo = 0,155 m2.K/W = 6,45 W/m2.K ). Un clo corresponde a un atuendo de oficina, con traje y camisa de manga larga.
Para medir el confort de una forma global se utilizan los índices de bienestar higrotérmico, que representan la influencia conjunta en la percepción térmica de los parámetros que intervienen en el confort. Los principales son la temperatura efectiva, la temperatura operativa y la opinión media estimada.
La temperatura efectiva es la temperatura de un local de referencia saturado y con el aire en reposo en el que se percibe la misma sensación térmica que en el local medido. Posteriormente ha sido corregida para una humedad relativa del 50% del local de referencia y temperaturas de las paredes similares a las del aire.
La temperatura operativa es la temperatura a la que hay que tener el aire y las paredes de un recinto ideal para que un ocupante intercambie la misma cantidad de calor por radiación y convección que con el ambiente real. En condiciones de baja velocidad del aire y temperatura de paredes parecida a la del aire puede expresarse como la media entre la temperatura media radiante (Tmr) de las paredes medida con un termómetro de globo, y la temperatura seca del aire (Ts) medida con un termómetro convencional. Es el parámetro normativo del RITE 2007.
La opinión media estimada (Predicted Mean Value PMV) valora la opinión sobre su sensación térmica de un grupo numeroso de personas sometidos a experimento en una cámara de ensayo. La valoración se lleva a cabo en la siguiente escala: +3: muy caluroso ,+2: caluroso, +1: ligeramente caluroso, 0: neutralidad térmica, -1: ligeramente fresco, -2: fresco, -3: frío. Depende de la temperatura seca del aire, la humedad relativa, la velocidad del aire, la temperatura media radiante, la actividad y la indumentaria.
Otros indices de bienestar higrotérmico son el Physiological Equivalent Temperature (PET) ye l Standard Effective Temperature (SET)
Los diagramas de confort son diagramas psicrométricos en los que se representan las condiciones ambientales y de actividad para las que un porcentaje dado de personas dice sentirse confortable.
Es muy importante saber que la zona de confort es muy variable, y el grado de validez de esta depende de la actividad (met), el índice de indumentaria (clo), el movimiento del aire y otros parámetros como soleamiento, presión, etc. Si las condiciones varían, deben realizarse correcciones sobre la zona de confort.
Los diagramas de bienestar más utilizados son los climogramas de Olgyay y Givoni, que veremos con mayor detalle en los apartados siguientes. La zona de confort es válida para individuos con ropa media, sin actividad, en clima templado (L = 40º N), y además situados a la sombra y sin viento. En función de las condiciones exteriores se proponen estrategias de diseño que amplían la zona de confort.
3.BIENESTAR HIGROTÉRMICO EN INTERIORES.
El estudio de las condiciones higrotérmicas en el interior de la edificación se viene desarrollando ampliamente desde mediados del siglo XX por la importancia para el bienestar del ser humano de la climatización de los espacios de trabajo y vivienda. Las condiciones en estos recintos cerrados pueden ser controladas y adaptarse a las necesidades de las personas que los utilizan.
Para comprender estas necesidades y qué relación tienen con las variables higrotérmicas, es necesario el estudio del balance de energía que se produce entre el ser humano y su entorno en espacios interiores. Los principales parámetros que intervienen en este balance son la radiación, procedente fundamentalmente de los paramentos; la convección por el contacto con aire; la evapotranspiración a través de la sudoración y la respiración; y la conducción por contacto directo con las superficies.
Existen además en interiores otros parámetros vinculados al bienestar como son el tiempo de ocupación, el gradiente vertical de temperatura, la asimetría radiante entre paramentos o la velocidad de variación de las temperaturas.
La medición del bienestar en los espacios interiores no se realiza así a través de las variables básicas o directas, sino a través de índices de bienestar, entre los que destacan por su utilidad, los derivados de los directos y los empíricos. Los principales índices de bienestar derivados de los directos son la temperatura media radiante (Tmr), la temperatura operativa (To) y la temperatura equivalente (Teq). La temperatura media radiante (Tmr) es la temperatura uniforme de un cuerpo negro con la que un individuo intercambia la misma cantidad de calor que con su entorno actual. En un interior, esta temperatura se considera equivalente a la temperatura medida con un termómetro de globo. La temperatura operativa (To) es la que han de tener el aire y las paredes de un recinto para que una persona intercambie con él el mismo calor sensible que en el local de origen; depende de la temperatura seca del aire y la temperatura media radiante, obteniéndose un valor intermedio entre ambas que se aproxima más al objetivo de la medición del bienestar térmico en los espacios.
Entre los índices de bienestar empíricos destaca la temperatura efectiva, que describe una sensación igual a un ambiente con 100% de humedad relativa. Este índice sigue siendo válido pese a que su primera definición de Yaglou y Houghton en 1923 tenía poca relación con las temperaturas secas que estamos acostumbrados a manejar y por tanto con las sensaciones que llevan asociadas Es por ello que con posterioridad un grupo de trabajo de la Universidad del Estado de Kansas (KSU) definiera una nueva temperatura efectiva que se diferencia de la anterior en que su cálculo se hace con el 50% de humedad relativa. A partir de aquí se desarrolló el nuevo diagrama ASHRAE-KSU, de uso tan extendido hoy en día.
Los conocimientos sobre bienestar resultan fundamentales para el correcto diseño de espacios interiores. Uno de los diagramas más importantes con los que contamos hoy en día para la mejora del diseño interior y que interrelaciona los parámetros de bienestar con las condiciones climáticas y las posibles estrategias arquitectónicas a emplear es el climograma de Givoni. Se trata de un diagrama psicrométrico sobre el que se grafían la zona de bienestar y las características de humedad relativa y temperatura propias del lugar. Sobre el diagrama aparecen también, representadas mediante áreas, las posibles estrategias que pueden corregir las características del ambiente para conseguir el confort. Entre las estrategias sugeridas por el diagrama se encuentran la inercia térmica, el enfriamiento evaporativo, la ventilación natural permanente diferenciada de la nocturna, las carga internas, los sistemas solares pasivos y activos y la humidificación.
Fig.02 Climograma de Givoni. Fuente:
Una de las conclusiones fundamentales sobre las que se discutió en el seminario fuel el hecho de que resulta fundamental trabajar con la temperatura radiante para la evaluación del confort, ya que normalmente es despreciada por los sistemas tradicionales de evaluación derivados siempre del estudio de sistemas de climatización por aire. La importancia de este parámetro se debe a que una gran parte de las estrategias pasivas dependen de las temperaturas de los paramentos. Algunos ejemplos serían la acumulación de calor proveniente de ganancias solares en invierno o el enfriamiento de los paramentos mediante la ventilación nocturna en verano.
4.BIENESTAR HIGROTÉRMICO EN EXTERIORES
El estudio del bienestar higrotérmico en espacios exteriores requiere el análisis de las variables que definen el confort desde una perspectiva diferente a la de los espacios interiores. El intercambio de energía, el estudio de los parámetros y la aplicación al diseño deben tener en cuenta las especificidades de un espacio que no cuenta con un límite superior que lo separe de la atmósfera, pero está inmerso en una estructura urbana que modifica las condiciones con respecto al clima general, creando lo que se denomina condiciones microclimáticas urbanas.
A la hora de comprender el bienestar en los espacios urbanos es importante comenzar por el balance de energía del ser humano en el espacio urbano.
El intercambio de energía entre el ser humano y el espacio urbano se produce, al igual que en espacios interiores, a través de radiación, convección, evaporación y conducción.
La radiación suele ser la variable dominante en los espacios abiertos. Existen dos tipos de radiación, la radiación de onda corta y la de onda larga. La radiación de onda corta procede del sol, y está compuesta da la luz visible y la infrarroja. La radiación de onda larga procede de la atmósfera y de las superficies del entorno y, pese a no ser muy importante para el bienestar en interiores, en exteriores resulta fundamental.
En la convección, el cuerpo humano intercambia calor con el aire circundante debido a las diferencias de temperatura locales y, sobre todo en los espacios libres, a través de la convección forzada debida al viento.
En lo que se refiere a evaporación, ésta se produce en la superficie de la piel con el movimiento del aire, ya sea como viento o como microbrisas, que la favorece.
La convección aparece principalmente por el contacto con los materiales, y en especial con el mobiliario urbano.
Dada la variedad de actividades que se producen en un espacio libre, la actividad metabólica, el trabajo y la sudoración juegan un papel fundamental a la hora de lograr el bienestar o encontrarse en estrés térmico, medido a través del índice de estrés térmico. Éste índice permite a los intercambios de calor ser expresados como sensación térmica y mide el rango en el que el cuerpo humano debe proporcionar humedad al ambiente (sudoración) para alcanzar el equilibrio térmico.
Índices de confort son una herramienta para medir el bienestar. Existen índices empíricos, racionales e híbridos, aunque en los últimos años ha aparecido el enfoque adaptativo, que tiene en cuenta un abanico más amplio de factores.
Los índices empíricos se basan en encuestas sobre el bienestar y otros aspectos relacionados, que se combinan con mediciones simultáneas de parámetros ambientales. Tradicionalmente los más empleados han sido los racionales, que calculan el balance térmico de una persona y los relacionan con sus respuestas fisiológicas a diferentes condiciones ambientales. Se basan en estudios realizados en laboratorio y están pensados principalmente para interiores. Algunos de los más importantes son el Nuevo estándar de temperatura efectiva (SET) (1967), el Índice de estrés térmico (ITS) (1969) y el Klima Michel Model (1979).
Los índices híbridos toman como base los racionales y se combinan con estudios empíricos en exteriores. Suponen un avance con respecto a los anteriores ya que tienen en cuenta la adaptabilidad de las personas al entorno. Uno de los más importantes es el PET o Temperatura fisiológica equivalente (1999).
En los últimos años se ha introducido una nueva perspectiva, el enfoque adaptativo, que incluye aspectos psicológicos y analiza la adaptación fisiológica dinámica, combinando estos datos con estudios empíricos en exteriores para ver los cambios de comportamiento de la gente en situaciones reales complejas para adaptarse a situaciones que en principio estarían fuera de la situación de confort.
Los índices objetivos se deben combinar con índices subjetivos o dinámicos para poder aproximarse a una evaluación del confort en espacio público Los índices psicológicos y fisiológicos dinámicos se basan en los índices adaptativos cuyo principio es que si las condiciones ambientales térmicas no son las apropiadas para que los usuarios estén en bienestar, éstos harán los cambios necesarios para sentirse térmicamente confortables. Algunos de los índices más importantes en este sentido son el Valor de sensación Real (ASV) (2004) y el Índice Térmico climático Universal (UTCI).
Los índices climáticos han de traducirse en recomendaciones enfocadas a estrategias que puedan abordarse desde el diseño de la ciudad. La principal herramienta práctica de diseño para lograr condiciones de bienestar en el espacio libre es el climograma de Olgyay, que combina los datos climáticos con condiciones definidas empíricamente como de bienestar para proporcionar una serie de recomendaciones que se refieren a movimiento del aire, presión de vapor, evaporación y radiación. La definición de estas estrategias para lograr el bienestar en el diseño urbano se realiza mediante un proceso que parte del conocimiento del clima a partir de los datos climáticos. Estos datos se introducen en los climogramas de bienestar para lograr así determinar las necesidades existentes. A partir de estas se definen las estrategias que servirán a su vez de punto de partida para el diseño de los espacios. Estas estrategias deberán siempre contrastarse con la disponibilidad de recursos: soleamiento, agua, viento, materiales y vegetación, además de con las normativas existentes. Las condiciones de bienestar pueden además verse modificadas según el arropamiento y la latitud, permitiendo una mayor adaptación a las condiciones propias del lugar y la época del año.
Fig.03. Climograma de Olgyay. Fuente:
El principal inconveniente del diagrama de Olgyay es que está basado en parámetros racionales. Otro de sus problemas a la hora de aplicarlo al diseño de espacios libres es que no tiene en cuenta la radiación de onda larga.
La principal crítica a los modelos racionales consiste en la falta de correspondencia con los datos empíricos, que pone en duda la utilidad de los datos de simulaciones y laboratorios. En los últimos años ha se ha incluido una nueva perspectiva incluyendo el concepto de enfoque adaptativo, que tiene en cuenta que el bienestar se percibe en temperaturas cercanas a aquellas a las que la gente está generalmente expuesta. La mayoría de los estudios realizados para la definición de las condiciones de bienestar se habían realizado para interiores.
Otra de las diferencias principales entre el bienestar en espacios interiores y en espacios abiertos consiste en la aceptabilidad de las condiciones ambientales por parte de las personas, ya que los datos empíricos demuestran que aceptan un rango de confort mucho más amplio del que en principio se les supone. Existen además otros condicionantes como el marco cultural, social, económico, temporal y físico. Sin embargo es muy difícil incluir estas situaciones paradójicas en las que se aceptan condiciones diferentes a las estipuladas en los índices de confort generales.
A la hora de enfrentarse al diseño de los espacios urbanos con respecto al clima es importante tener en cuenta la modificación del clima que se produce por las características específicas del recinto urbano. En primer lugar, respecto al viento, la configuración urbana puede posibilitar la generación de microbrisas urbanas por las diferencias de temperaturas existentes. Aún más importante si cabe es la proporción de superficies expuestas al calentamiento o enfriamiento por radiación, lo que genera dos efectos opuestos de isla térmica, por un lado el fenómeno de isla fría, que se produce por inversión térmica durante el día, y por otro y con mucha mayor incidencia, la isla de calor que se produce por la dificultad de disipación del calor durante la noche.
Teniendo en cuenta las condiciones descritas, a través del diseño urbano pueden incorporarse a la ciudad diferentes estrategias que aprovechan las condiciones climáticas para mejorar el bienestar en los espacios libres como son: soleamiento, contigüidad de espacios soleados y en sombra, morfología de los espacios, espacios bajo techado abiertos lateralmente orientados a sur, utilización de dispositivos de uso circunstancial para sombreamiento (sombrillas, toldos), presencia simultánea de agua y aire seco en el recinto, arbolado y vegetación o la utilización de las características térmicas de la edificación y espacios circundantes.
El estudio del bienestar higrotérmico en los espacios libres y las posibles estrategias para lograrlo es aún un campo de estudio en el que profundizar. La falta de estudios en el ámbito y la imposibilidad del control de los parámetros de definición del bienestar en los espacios abiertos, la cantidad de variables que influyen etc. crean una serie de dificultades para la definición del bienestar higrotérmico.
En primer lugar están las diferencias entre clima y microclima, que resultan difíciles de establecer ante la inexistencia de datos locales. También es importante señalar la variabilidad de condicionantes considerados para la definición del confort en un espacio libre, desde los tipos de personas y la mayor subjetividad, a los cambios de las condiciones climáticas, las numerosas actividades o expectativas.
En los espacios libres es también importante contar con diferentes opciones de elección, creando en un mismo lugar diferentes escenarios microclimáticos que permitan lograr el bienestar al mayor número de personas posible.
Para definir el bienestar en exteriores existe una mayor influencia de los parámetros psicológicos que en espacios interiores. Además de la falta de datos climáticos locales, se da una carencia de estudios sobre la aclimatación al ambiente exterior y las influencias regionales en la definición de las áreas de confort.
En lo que se refiere a la medición de la radiación de onda larga, que tiene gran importancia en los espacios libres, el parámetro de la temperatura media radiante es complejo de medir, pudiéndose realizar medidas in situ o simulaciones, aunque los software utilizados aún no están bien adaptados a los espacios libres.
Existen así carencias en las herramientas para el diseño que incluyan los nuevos parámetros de investigación descritos.
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