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Medición de humedad y CO2. La ruta de la eficiencia

El mundo está en un punto de inflexión en lo que al dispendio de energía se refiere. A la par, constantemente escuchamos y leemos acerca de múltiples tendencias, como eficiencia energética, sustentabilidad, lucha contra el cambio climático y economía circular, entre otras. La industria HVAC, por supuesto, no es ajena a estos temas

Julia Salovaara

El consumo energético de los edificios, así como su construcción, representa más de un tercio del consumo final de la energía en el mundo, además de que contribuyen con casi una cuarta parte de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), de acuerdo con el UNEP Global Status Report 2017. Es por ello que, en la industria  HVAC, existe una gran presión para optimizar los sistemas y buscar mayores ahorros a través de la eficiencia energética. Para lograrlo, las mediciones exactas y confiables de humedad, temperatura y dióxido de carbono (CO2) juegan un papel esencial.

Es importante entender las diferentes aplicaciones y necesidades de esta industria, saber seleccionar los instrumentos adecuados para cumplir con las diferentes normas (ASHRAE 90.1, LEED), conocer las mejores prácticas de instalación y planear los mantenimientos para obtener las mejores lecturas posibles durante toda la vida útil de los sensores. A continuación, se revisarán estos puntos a detalle.

Aplicaciones HVAC: del almacenamiento de productos al confort humano
Usualmente, cuando abordamos el concepto HVAC, lo primero que nos viene a la mente es el confort y la productividad. Sin embargo, los seres humanos definitivamente no son la única razón para controlar un ambiente. Otras aplicaciones muy comunes son:

Almacenamiento. Es fácil de entender cuando se trata de alimentos o productos farmacéuticos que se degradan o se echan a perder como consecuencia de las altas temperaturas y niveles de humedad. No obstante, hay que recordar que también existen documentos y artefactos preciosos en los museos que son muy sensibles a la humedad y requieren protección
Manufactura. Es aplicable para diferentes bienes, por lo que también es un área clave en HVAC. Algunos procesos requieren rangos de humedad específicos para la fabricación de productos de alta calidad, por lo que el exceso de la misma se considera como un contaminante
Refrigeración. Cada día aumenta su importancia, debido al aumento del uso de internet y diferentes servicios digitales relacionados. Por ejemplo, actualmente se requiere del frío para que los centros de datos funcionen de manera confiable. Además, el internet que se conoce hoy en día no existiría sin procesos eficientes de refrigeración

Las aplicaciones HVAC van más allá del confort humano y se extienden a segmentos como el de los data centers

Ventilación controlada por demanda
Un área de medición que afecta mucho a los seres humanos es la del CO2, específicamente cuando se trata de la Ventilación Controlada por Demanda (DCV, por sus siglas en inglés).

El principio de operación de la DCV se basa en la ocupación de un espacio determinado por un conjunto de personas. La ocupación afecta el nivel del uso de recursos HVAC, pero en lugar de encender el aire acondicionado cuando la temperatura alcanza un cierto nivel, es la ocupación lo que define los diferentes sets points del sistema. Es decir, sólo porque el sol está calentando un cuarto vacío, no significa que es necesario utilizar recursos para enfriarlo. El monitoreo del nivel de CO2 indica cuando el espacio se encuentra ocupado por personas y, por lo tanto, si es necesario de encender el aire acondicionado.

Los niveles típicos de CO2 al aire libre están entre 300 y 450 partes por millón (ppm). Dentro de una sala de juntas con una mesa rodeada de personas, los niveles de CO2 pueden alcanzar o superar rápidamente las 1 mil ppm. Diferentes estudios han demostrado que esto puede causar sueño, mala calidad del aire, bajar la productividad y el desempeño de las personas. En consecuencia, ASHRAE recomienda que el nivel máximo de CO2 en interiores sea de 1 mil ppm, así que la ventilación empezaría a funcionar llegando a este nivel de concentración de CO2.

Realizar mediciones en ambientes exteriores requiere protección contra radiación solar y precipitaciones

La trascendencia de las mediciones exteriores
El aire fresco que se introduce a un edificio es una de las variables más difíciles de gestionar, por lo cual las mediciones de humedad y CO2 son críticas para optimizar la eficiencia del sistema. La cantidad y frecuencia de introducción del aire fresco juegan entonces un papel fundamental en la cantidad de energía que se utiliza para calentar o enfriar el aire dentro de un edificio. Introducir muy poco resulta en una mala calidad del aire, pero ingresar demasiado puede provocar el aumento del uso de energía para acondicionar este nuevo aire. Esto significa que hay que solucionar un problema que se acaba de crear, por lo que se termina gastando más recursos y dinero.

Es en este punto en el que la medición del aire exterior entra en juego. Conocer sus condiciones ayuda a calcular el tiempo y volumen de aire fresco para maximizar la eficiencia energética del inmueble.

Especificación de instrumentos – ¿una tarea fácil?
La especificación de los equipos de medición adecuados para una aplicación puede ser una tarea difícil, debido a la cantidad de diferentes instrumentos que hay en el mercado, los cuales pueden variar desde equipos baratos y desechables hasta certificados y confiables de alta precisión.

Es necesario conocer por lo menos los requisitos básicos de la aplicación o del proyecto. Sin ellos, esta tarea se convierte en un juego de adivinanzas. Generalmente, debería existir una idea de qué tan caliente, frío, húmedo o seco es el espacio en cuestión. En este punto no se requieren números exactos, pero ayuda mucho tener una buena idea. Además, es bueno saber qué parámetro de medición se está buscando. Estos pueden variar desde humedad relativa y entalpía hasta temperatura de punto de rocío o de bulbo húmedo.

El lugar de instalación también es de gran relevancia. Los instrumentos se pueden colocar en la pared, un ducto, exteriores, o bien, se puede tratar de instalar una sonda remota. Estas selecciones básicas ayudan a buscar la familia correcta de productos y de ahí llegar a una recomendación óptima para cada aplicación.

Dependiendo de cada caso, es posible que el requisito primario de la especificación se relacione con lo siguientes puntos:

  • La tolerancia o la precisión del proceso
  • Los requisitos de salidas o diferentes sistemas con los cuales el instrumento tiene que comunicarse
  • Ambientes especiales

Tolerancia y deriva del sensor
La tolerancia significa qué tan precisa debería ser la medición. Hablando de la humedad relativa, cualquier valor entre +/- 1 y +/-5 por ciento es posible. En sensores de CO2, el rango puede variar aún más desde +/- 3 ppm hasta miles de partes por millón. En mediciones de CO2 en aplicaciones HVAC esto significa la diferencia entre cumplir con los requisitos de ASHRAE o no.

Un sensor con una especificación más estricta ofrece ciertas ventajas. En ocasiones, los sensores más precisos tienen una deriva menor o, al menos, dan más espacio para permitirla. Ésta se define como una variación lenta de una característica metrológica de una herramienta de medida. Todos los sensores presentan una deriva según vaya pasando el tiempo y, por lo tanto, es algo que hay que tomar en cuenta en la planeación del mantenimiento.

Si un proceso tiene un ±5 por ciento de tolerancia y se utiliza un sensor de ±5 por ciento, la deriva probablemente hará que la lectura ya no se encuentre en el rango de tolerancia en un año o menos. Utilizar un instrumento de ±3 por ciento de precisión en el mismo proceso de +/-5 por ciento puede dar más flexibilidad en la conservación.

La instalación correcta es la clave para una medición exitosa

Cumplir la norma ASHRAE 90.1 y la certificación LEED v4
El estándar ASHRAE 90.1 se creó para establecer los requisitos mínimos para diseñar edificios energéticamente eficientes. Las tolerancias y precisiones de los sensores revisadas en la sección anterior están muy ligadas a este estándar. De acuerdo con ASHRAE, la humedad relativa debe ser precisa a ±5 por ciento sobre el rango desde 20 hasta 80 por ciento de humedad relativa. En el caso del CO2, los sensores tienen que ser precisos a ±50 ppm a 1 mil ppm. Hay que recordar que la concentración máxima recomendada de CO2 en espacios interiores es de 1 mil ppm.

La certificación Leadership in Energy and Engineering Design (LEED) del Green Building Council de los Estados Unidos también contiene una lista de especificaciones. Este sistema de calificación evalúa la eficiencia energética de los edificios. La certificación recomienda poner sensores de CO2 en todos los espacios densamente ocupados. La exactitud solicitada es de 75 ppm o 5 por ciento de lectura, el que sea mayor. LEED toca también otro punto muy relevante que se revisará a final de este artículo: la calibración. Ésta define que 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.

Las mejores prácticas de instalación
Hasta ahora se han revisado qué parámetros deben medirse en las numerosas aplicaciones HVAC y cómo cumplir con los diferentes estándares. Empero, un instrumento perfectamente seleccionado no servirá de nada si no se sitúa de manera correcta.

El problema de instalación más común es colocar el sensor cerca de una fuente de calor, algo tan sencillo como un montaje cerca de una impresora, un proyector o un refrigerador en la oficina. Igualmente, los puntos fríos también pueden causar problemas en la lectura de los instrumentos.

Otro inconveniente común es el montaje en donde no hay suficiente flujo de aire, como detrás de una puerta. Lo anterior desemboca en que el tiempo de respuesta del sensor aumente. Por otro lado, si se instala en un ducto de manera paralela con el flujo, puede ser que la lectura cambie constantemente y mande señales equivocadas para el sistema de control. Esto causaría que realice ajustes más frecuentes y quizás innecesarios.

La instalación no siempre puede ser ejecutada en un ambiente de oficina, sobre todo en aplicaciones especializadas donde haya presencia de agua líquida, contaminación o químicos que llegan a afectar la medición. Una solución es alejar el sensor de estos puntos de contaminación o alternativamente utilizar un filtro para aislarlo del contaminante. Otra solución son los sensores especializados que manejan la presencia del contaminante. Por ejemplo, en ambientes húmedos, es probable que se presente condensación, por lo que existe una sonda calentada que previene la formación de ésta en el sensor. Asimismo, en las mediciones en el exterior hay que fijarse mucho en la ubicación del sensor y revisar los diversos requisitos de los productos. Algunas marcas requieren aspiración mecánica, sombreado o blindado, a fin de realizar una buena medición.

Con un instrumento portátil es posible llevar a cabo una calibración de un punto en campo

Un buen plan de mantenimiento y calibración aseguran la precisión a largo plazo
Las condiciones del aire interior se consideran benignas para los sensores. Quizás es por eso que los utilizados en la automatización de edificios rara vez se calibran o revisan una vez que el sistema haya sido comisionado. Sin embargo, los sensores mal conectados o defectuosos son comunes, por lo que se debe hacer al menos una medida de comparación durante la puesta en marcha del sistema. También es recomendable comprobar aquellos que han sido instalados luego de un par de años contra un instrumento portátil confiable. Después de todo, nada de esto realmente importa si se deja degradar.

Existen diferentes opciones para calibración de herramientas de humedad y CO2. Comúnmente, los requisitos corresponden a los de precisión de la herramienta. Requisitos de precisión más altos implican obligaciones más estrictas de calibración.

Como hemos mencionado, existe la opción de instalar y olvidar, es decir, no calibrar nunca. Este enfoque definitivamente no es recomendable, ya que sólo causa sistemas de bajo rendimiento y esfuerzos adicionales gastados en mejorar las condiciones de un espacio. La deriva de los sensores en algún momento llegará a un punto en el que afectará la eficiencia del proceso; en consecuencia, se termina pagando más por la energía desperdiciada que por el mantenimiento.

Otra opción puede ser el reemplazo, es decir, cambiar el sensor por uno nuevo. Esto se puede realizar periódicamente o después de una revisión puntual por un equipo portátil. La otra alternativa es calibrar o ajustar el instrumento de manera regular. Técnicamente hablando, calibración significa comparar contra un estándar. En caso de que el instrumento haya salido de su tolerancia definida, es necesario realizar un ajuste.

Hay muchas opciones para hacer la calibración. Se puede realizar en campo, con un equipo portátil suficientemente preciso, o en los laboratorios de un tercero o del fabricante del instrumento. Dependiendo de cada caso, quizás se requiera un certificado de calibración trazable o una acreditada según la norma ISO 17025. Es necesario conocer bien los requisitos de cada aplicación para hacer un plan de mantenimiento adecuado y no echar a perder la inversión y los esfuerzos iniciales que se realizaron en el proyecto.

Finalmente, tener equipos confiables en aplicaciones HVAC se vuelve más y más crítico para responder a los requisitos más estrictos de hoy en día. Es fundamental saber especificar los equipos de acuerdo con las necesidades del proyecto y/o de las normas que se deben cumplir. La instalación correcta es de igual importancia, pues, si uno hace esto mal, ni el instrumento perfecto podrá dar el resultado deseado. La clave para obtener eficiencia energética a largo plazo son las mediciones precisas a través de calibraciones periódicas. ¡Si algo vale la pena medir, vale la pena medirlo bien!

 

Julia Salovaara
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. Maestra en Ingeniería Medioambiental y Energética por la Universidad Tecnológica de Tampere, Finlandia. Actualmente, se desempeña como Application Sales Manager en Vaisala y está encargada del crecimiento del mercado de instrumentos industriales en México.

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