CAI: salud y bienestar. Medición confiable de humedad y CO2

Ahorro energético, confort humano y operación eficiente son las principales motivaciones para llevar a cabo mediciones de CO₂ y ventilación por demanda controlada. El propósito: cumplir con los estándares internacionales de calidad del aire interior estipulados para las edificaciones sustentables

Julia Salovaara

La calidad del aire interior (CAI) en edificios depende de muchos contaminantes y de las concentraciones de los mismos. Las partículas de agua, es decir, la humedad, junto al dióxido de carbono (CO₂), son dos de los elementos más comunes. Este artículo aborda el efecto de ambas variables, de la importancia de medir y controlarlas y, adicionalmente, ofrecer consejos acerca de la selección de un instrumento adecuado para su medición. Por último, se revisará lo que recomiendan algunos de los certificados y normas internacionales sobre el tema.

¿Por qué medir la humedad en edificios?

La Guía para el control de la humedad en el diseño, construcción y mantenimiento de edificaciones, elaborada por la División de Ambientes Interiores de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés), afirma que el control de la humedad es un factor fundamental para que las edificaciones operen adecuadamente, los sistemas mecánicos no se dañen y la salud de los ocupantes esté protegida. Por ello, es imprescindible que se evite la concentración de humedad, pues los problemas derivados de esta situación también conllevan un gasto mayor en mantenimiento. ASHRAE recomienda diferentes técnicas basadas en el comportamiento del agua en los edificios para evitar estos problemas.

Otra de las razones de peso para controlar la humedad es el confort humano. Debido a que la humedad relativa (RH) alta provoca:

• Mayor sudoración en los usuarios
• Dificulta el enfriamiento
• Genera ambiente húmedo y pegajoso
• La condensación puede provocar el crecimiento de moho y bacterias

Además, como bien muestra la Guía para el control de la humedad en el diseño, construcción y mantenimiento de edificaciones, los costos asociados con los problemas de humedad son bastante caros. Muchos de ellos se cargan a los propietarios, usuarios o inquilinos de los edificios. Ausentismo por enfermedad y reducción de la productividad, debido a problemas de salud y confort relacionados con la humedad, le cuestan dinero a cada empresa. Los propietarios tienen que lidiar con los costos de reparación y reemplazo de materiales dañados por la humedad y también puede haber incrementos en los predios de seguros por reclamos por daños de humedad.

Al igual que la RH alta, también la humedad baja (<25 % RH) representa un problema que afecta el confort humano, ya que ocasiona:

• Comezón en la piel
• Labios secos
• Enfermedades respiratorias (dolor de garganta, tos, nariz tapada o seca)

Por tanto, es importante mantener el nivel de humedad en niveles adecuados.

¿Por qué medir el CO₂ en aplicaciones HVAC?

Otro parámetro que afecta mucho la calidad de aire es el dióxido de carbono. Esta sustancia es un buen indicador de la calidad de aire cuando hay presencia de seres vivos. Se puede tratar de personas, animales, frutas o plantas. El CO₂ es un subproducto de la combustión de la respiración celular, que se emite al exhalar y, en concentraciones elevadas, es nocivo para la salud.

DCV y ambiente interior

En lo que respecta a los inmuebles de oficinas u otros espacios donde la presencia de personas puede variar, se puede escuchar el término ventilación por demanda controlada (DCV, por sus siglas en inglés). La DCV incluye diversos aspectos, pero el tema del CO₂ está tomando más importancia en edificios que buscan mayor eficiencia energética (por ejemplo, en los certificados por LEED).

Los principales motivos para realizar mediciones y ventilación por demanda controlada son:

• Ahorros de energía significativos
• Bienestar del edificio
• Confort humano y la productividad
• Salud

De acuerdo con la Agencia de Protección Ambiental, los sistemas HVAC representan más de un 40 por ciento de los costos totales de energía en un edificio promedio de oficinas. Mediante el uso de la DCV se puede ahorrar una gran parte de esto. En 2011, la EPA realizó una investigación sobre los ahorros energéticos y la economía de las estrategias de control avanzada. El estudio concluyó que la ventilación por demanda controlada contribuye a un mayor ahorro de energía en pequeños inmuebles de oficinas, centros comerciales, tiendas independientes y supermercados en comparación con otras estrategias avanzadas. Las reducciones en el costo promedio del uso de la DCV se calcularon en un 38 por ciento para todos los tipos de edificios comerciales, lo cual es una cifra muy significativa.

¿Pero qué es la DCV? Este tipo de ventilación implica que la cantidad de aire fresco introducido en los cuartos o espacios se ajuste según la cantidad de las personas presentes. Cuando se lleva un control, el potencial de ahorro es particularmente grande para espacios con una ocupación muy variable.

El nivel de CO₂ se usa para indicar la presencia de personas; esto significa que su medición es un indicador de la cantidad de aire fresco que se introduce al espacio. Cuanta más gente, mayor será la concentración de dióxido de carbono y más aire fresco se necesitará.

¿Cuáles son las concentraciones típicas de CO₂ y cómo se define la buena calidad de aire?

• AMBIENTE: 400 ppm CO₂
• INTERIORES: <1000 ppm CO₂
• INVERNADEROS: 700 – 800 ppm CO₂
• INCUBADORAS DE CO2: 5 % CO₂ (=50 000 ppm)
• ESTACIONAMIENTOS: nivel elevado de ppm (los gases de escape producen hasta 20 % de CO₂)

El estándar europeo EN 13779: 2007 dice que “la calidad del aire interior se puede clasificar por la concentración de CO₂”. El estándar define la expectativa del aire interior entre 400 y 600 partes por millón (ppm), lo cual se encuentra un poco más elevada de la concentración normal del ambiente exterior (400 ppm). ASHRAE recomienda que la concentración máxima en interiores sea de 1 000 ppm.

También existen aplicaciones que necesitan mantener niveles más altos de CO₂, en comparación con el nivel en el ambiente, es decir, se inyecta CO₂ en la aplicación. Ejemplos de esto son los invernaderos e incubadoras biológicas.

Otro tipo de aplicación de niveles altos de dióxido de carbono se encuentra en los estacionamientos. Los automóviles en marcha producen CO₂, por lo que se requieren sistemas de ventilación adecuados. Entonces, las razones para medir esta sustancia pueden variar desde el ahorro de energía, la comodidad y productividad humana, hasta el control de procesos e, incluso, los problemas de seguridad.

¿Cómo nos afecta la concentración elevada del CO₂?

Los efectos son diferentes dependiendo de qué tan alta sea la concentración. Se puede dividir en dos categorías: la concentración elevada, usualmente medida en porcentaje, y la concentración más baja, indicada en partes por millón. 

Las concentraciones muy elevadas, es decir, desde un dos por ciento (=20 000 ppm) para arriba, causan diferentes síntomas dependiendo también del tiempo de exposición. El CO₂ en sí no es tóxico, pero sí reemplaza al oxígeno, por lo que en algunas aplicaciones puede ser necesario medir las alarmas potenciales. La imagen de efectos de sobreexposición de CO₂ muestra los síntomas típicos en diferentes concentraciones.

Por otro lado, también las concentraciones más bajas nos afectan. Estudios recientes cuestionan lo que antes se consideraba como buena calidad del aire interior. Un estudio realizado por el Instituto Nacional de Ciencias de Salud Ambiental (NIEHS, por sus siglas en inglés) investigó en 2015 el efecto de la concentración del CO₂ en las habilidades cognitivas, respuesta ante las crisis, utilización de información y estrategia, entre otras variables. Según la investigación, las habilidades cognitivas que requieren de una aplicación más avanzada de la información son las más afectadas. Los resultados muestran claramente que el manejo de tareas más complejas se vuelve mucho más difícil cuando los niveles de CO₂ en interiores aumentan. Por tanto, es fácil de entender porque el control de CO₂ es un tema de suma trascendencia. Las mediciones precisas del aire interior y una ventilación más eficiente son vitales para mejorar las habilidades cognitivas de la gente trabajando en oficinas.

¿Cómo medir la calidad del aire interior?

Se ha demostrado la importancia de mediciones de humedad y CO₂ en la calidad del aire interior. ¿Cómo se miden estos parámetros y qué puntos hay que tomar en cuenta al escoger un instrumento?

Especificar los equipos correctos puede ser una tarea difícil, dado la cantidad y diversidad de instrumentos que hay en el mercado. Varían desde equipos baratos y desechables hasta instrumentos certificados y confiables de alta precisión. La selección es mucho más fácil cuando uno conoce algunos puntos generales del proyecto. Por ejemplo: ¿qué tan frío, caliente, húmedo o seco tiene que ser un espacio? O bien, ¿en qué condiciones se debería mantener? También es bueno saber qué parámetros está buscando uno. Se puede tratar del CO₂ o de una de las muchas variables para la medición de la humedad: entalpía, temperatura de punto de rocío, RH, etcétera. Adicionalmente, hay que entender en qué punto realizar la medición e instalación del equipo. Esto puede variar entre mediciones exteriores e interiores, instalación del equipo en la pared, en ducto, etcétera.

Dependiendo del caso específico, cualquiera de los siguientes aspectos puede convertirse en el requisito primario del proyecto:

• Tolerancia de la medición
• Opciones de comunicación
• Ambientes especiales

En cuanto a los requisitos de tolerancia de la medición, hay que responder a las siguientes preguntas: ¿qué tan precisa debe ser?, o bien, ¿cuánto espacio hay para un error de medición? Muchas veces esto es impulsado por el uso del espacio o por los objetivos establecidos de la eficiencia del proyecto.

 Ejemplos de exactitudes de % RH:

• Extrema: +/- 1 % RH
• Alta: +/- 1.5 % RH
• >Promedia: +/- 2 % RH
• Promedia: +/- 3 % RH
• Baja: +/- 5 % RH (psicrómetro giratorio)

Ejemplos de exactitudes de CO₂:

• Extrema: +/- 3 ppm +1 % de la lectura
• Alta: +/- 40 ppm
• Promedia: +/- 50 ppm  
• Aceptable: +/- 60+ ppm

Las opciones de comunicación se refieren a las diferentes salidas de los equipos. Estas pueden variar desde las salidas analógicas hasta comunicación digital o inalámbrica. Lo importante es asegurarse de que el instrumento pueda comunicarse con el resto del sistema. Los ambientes especiales significan ambientes donde las condiciones son más desafiantes; por ejemplo, por presencia de suciedad (polvo, químicos), muy alta humedad, alta presión, etcétera.

¿Qué dicen las normas internacionales sobre la CAI? ASHRAE 90.1

Este estándar ha sido un punto de referencia para la regulación energética de edificios comerciales en los Estados Unidos y una base clave para códigos y estándares en todo el mundo durante más de 35 años. El ASHRAE 90.1 proporciona los requerimientos mínimos de eficiencia energética para la mayoría de los edificios, salvo los residenciales de poca altura y sus diferentes componentes. De tal forma que tiene varias secciones, una de las cuales se enfoca, principalmente, en los sistemas HVAC. Todos los componentes se evalúan con base en su costo-eficiencia, por lo que se actualiza cada tres años.

Uso de LA DCV (Ashrae 90.1)

La Sección 6.4.3.8 del estándar ANSI/ASHRAE/IES 90.1. explica que la ventilación por demanda controlada deberá suministrarse en espacios densamente ocupados mediante sistemas con uno o más de los siguientes componentes:

1. Un economizador del lado del aire
2. Control de modulación automático de dampers de aire exterior
3. Un flujo de aire exterior de diseño superior a 3 000 cfm (1416 l/s)

Precisión del sensor (Ashrae 90.1)

Los sensores del aire exterior, aire de regreso, aire mixto y aire de suministro necesitan una precisión específica, por lo que se calibrarán de acuerdo con las siguientes precisiones, definidas en la sección 6.5.1.1.6 del mismo estándar:

1. Las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo deberán ser de ±2 °F sobre el rango de 40 a 80 °F
2. La entalpía y el valor del sensor diferencial de entalpía tienen que ser precisos, de a ±3 Btu/lb sobre el rango de 20 a 36 Btu/lb
3. La humedad relativa deberá de estar ±5 por ciento sobre el rango de 20 a 80 %RH

Sensor de CO₂ para DCV (Ashrae 62.1)

Además de la norma 90.1, la 62.1 “Ventilación para calidad de aire interior aceptable”, también habla de la DCV. El sistema de ventilación tiene que estar diseñado para cumplir con la sección 6.2.7 de la Norma 62.1 de ANSI/ASHRAE. Las suposiciones de ocupación del espacio se deben mostrar en los documentos de diseño de los espacios equipados con DCV.

Todos los sensores de CO₂ del sistema deberán cumplir con los siguientes requerimientos:

• Espacios con sensores de CO₂: por lo menos un sensor por cada 1 000 m²
• Sensores o sondas tienen que ser instalados entre uno y dos metros arriba del piso
• Los sensores de CO₂ tienen que ser precisos a ±50 a 1 000 partes por millón

Certificación LEED v4: Estrategias mejoradas

LEED (Leadership in Energy and Engineering Design, por sus siglas en inglés) es un sistema de calificación usado por el Consejo de la Construcción Ecológica de Estados Unidos, para evaluar la eficiencia energética de los edificios.

El certificado LEED tiene diferentes niveles que dependen del número de créditos (puntos) que logra obtener un inmueble. Los créditos se clasifican por familias y una de ellas alude a la calidad del ambiente interior. En esta familia están incluidas las acciones que procuran una renovación del aire interior a través de una adecuada ventilación, libre de químicos, humo de tabaco y asegurando una temperatura confortable.

Para llevar un monitoreo adecuado del ambiente interior, se recomiendan las siguientes estrategias de medición:

• Instalación de sensores de CO₂ en todos los espacios densamente ocupados. Las habitaciones menores a 14 m² (150 pies cuadrados) están exentas
• Los sensores de CO₂ se tienen que instalar entre 900 – 1 800 milímetros (3-6 pies) arriba del piso
• Probar y calibrar los sensores de CO₂ para que tengan una exactitud no menor de 75 ppm o cinco por ciento de la lectura, el que sea mayor
• Los sensores deben ser probados y calibrados por lo menos una vez cada cinco años, o según las recomendaciones del fabricante, lo que sea más corto
• Monitorear los sensores de CO₂ con un sistema configurado para medir sus concentraciones en intervalos no mayores a 30 minutos

WELL

El WELL Building Standard^® es un sistema basado en el desempeño para medir, certificar y monitorear las características del ambiente construido que afectan la salud y el bienestar de los usuarios, a través del aire, el agua, la nutrición, la luz, el acondicionamiento físico, la comodidad y la mente.

Al igual que otros estándares y certificados, WELL consiste en diferentes secciones. La sección 03/parte 2 habla acerca de la ventilación por demanda controlada y dice que debe aplicarse en todos los espacios con una superficie igual o mayor a 46.5 metros cuadrados y con una ocupación igual o mayor a 25 ocupantes por cada 93 metros cuadrados. Además, deberán satisfacer alguna de las siguientes condiciones:

• Contar con un sistema DCV que regule el flujo de aire exterior, de tal forma que los niveles de CO₂ en el espacio se mantengan por debajo de las 800 ppm (medido 1.2-1.8 metros encima del piso)
• Los proyectos que hayan logrado la estrategia “Ventanas operables”, de acuerdo con lo descrito en el WELL Building Standard v1, deberán demostrar que mediante ventilación natural es posible mantener los niveles de dióxido de carbono debajo de 800 ppm en las condiciones de ocupación más críticas

Control de humedad (WELL)

El capítulo 16 trata acerca del control de la humedad y pide satisfacer al menos una de las siguientes condiciones:

• Contar con un sistema de ventilación que tenga la capacidad de mantener los niveles de humedad relativa entre un 30 y un 50 por ciento en todo momento
• Una modelación del espacio muestra que los niveles de humedad se mantienen entre un 30 y un 50 por ciento, para al menos el 95 por ciento de las horas de oficina en un año

En cuanto a la visualización del ambiente interior, se deberán mostrar en tiempo real los siguientes parámetros por cada 930 metros cuadrados de espacio, regularmente ocupado mediante una pantalla de al menos 5.9 x 5.1 pulgadas:

• Temperatura
• Humedad
• Concentración de dióxido de carbono

El impacto de la calidad del aire interior en la salud y confort de las personas es uno de los problemas emergentes en la industria. Al mismo tiempo hay un interés mundial de reducir el uso de energía utilizado en los edificios y, por lo tanto, disminuir también los costos. La eficiencia energética, por lo tanto, seguirá siendo un tema relevante para la automatización de edificios, mientras continúe el crecimiento y desarrollo de inmuebles y ciudades inteligentes. Se cree que el enfoque se desplazará más hacia la salud y el bienestar de las personas al garantizar la calidad ambiental interior. En consecuencia, será aún más importante conocer los impactos de los diferentes contaminantes y enfocarse en su control y mitigación. Las mediciones confiables de humedad y CO₂, en este sentido, juegan un papel muy importante, hecho que se ve reflejado también en la normativa existente y en las actualizaciones que se están desarrollando sobre el tema.

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Julia Salovaara

Maestra en Ingeniería Medioambiental y Energética por la Universidad Tecnológica de Tampere, Finlandia. Cuenta con más de cinco años de experiencia a nivel internacional en el desarrollo de negocios e investigación dentro del mercado de energías renovables e industrial. Actualmente, se desempeña como Application Sales Manager en Vaisala, y está encargada del crecimiento del mercado de instrumentos industriales en México.