5. STRAT GIA: NTRA A M A NI A / SALI A M A NI...
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Capítulo 5: Estrategia Entrada Mecánica/ Salida Mecánica 33 Javier García Ramos Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial 5. ESTRATEGIA: ENTRADA MECANICA / SALIDA MECANICA Los parámetros que son necesarios calcular previamente a la evaluación de esta estrategia son los siguientes: La tasa de producción de CO 2 por persona depende del nivel metabólico del individuo, y este a su vez depende de la actividad realizada. El nivel de actividad metabólica típica de un aula es de 1.2 met. La norma UNE EN 13779:2008 [3] establece que la producción de CO 2 por persona viene dada por la siguiente expresión: Donde, M es la actividad metabólica en mets. Para expresar la producción anterior en mg/s hay que multiplicar por la densidad, que a 20 ºC es 1.8 kg/m 3 , y cambiar de unidades de forma adecuada, resultando: ] / [ 56 . 7 2 s mg M q CO Por tanto, para la actividad normal en un aula la producción de CO 2 por persona será: ] / [ 07 . 9 2 s mg q CO La concentración de CO 2 en el aire será ventilación supuesta será de 400 ppm, ya que su valor habitual oscila entre las 300 ppm para ambientes rurales y 500 ppm para ambientes muy contaminados. El caudal de diseño para la situación base lo podremos calcular a partir del método indirecto del RITE [2] para edificios docentes, siendo de 12.5 l/s y por persona. Esto da como resultado, para una ocupación del 100%, una densidad de 3.72 m 2 /persona y un área del aula de 100m 2 , un caudal de 337 l/s o 1213.2 m 3 /h por aula. 5.1. ESCENARIO BASE: CAUDAL DE VENTILACIÓN CONSTANTE En este escenario el caudal de ventilación se fija constante durante las 24 horas del día e igual al necesario para una ocupación máxima del aula, es decir 337 l/s. La evolución temporal del CO 2 en el interior de un aula ha sido calculada haciendo uso de la siguiente formula obtenida de la norma UNE-EN 13779:2008 [3]. () () ( )
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Capítulo 5: Estrategia Entrada Mecánica/ Salida Mecánica
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5. ESTRATEGIA: ENTRADA MECA NICA / SALIDA MECA NICA
Los parámetros que son necesarios calcular previamente a la evaluación de esta estrategia son
los siguientes:
La tasa de producción de CO2 por persona depende del nivel metabólico del individuo, y este a
su vez depende de la actividad realizada. El nivel de actividad metabólica típica de un aula es
de 1.2 met. La norma UNE EN 13779:2008 [3] establece que la producción de CO2 por persona
viene dada por la siguiente expresión:
Donde, M es la actividad metabólica en mets.
Para expresar la producción anterior en mg/s hay que multiplicar por la densidad, que a 20 ºC
es 1.8 kg/m3, y cambiar de unidades de forma adecuada, resultando:
]/[ 56.72
smgMqCO
Por tanto, para la actividad normal en un aula la producción de CO2 por persona será:
]/[ 07.92
smgqCO
La concentración de CO2 en el aire será ventilación supuesta será de 400 ppm, ya que su valor
habitual oscila entre las 300 ppm para ambientes rurales y 500 ppm para ambientes muy
contaminados.
El caudal de diseño para la situación base lo podremos calcular a partir del método indirecto
del RITE [2] para edificios docentes, siendo de 12.5 l/s y por persona. Esto da como resultado,
para una ocupación del 100%, una densidad de 3.72 m2/persona y un área del aula de 100m2,
un caudal de 337 l/s o 1213.2 m3/h por aula.
5.1. ESCENARIO BASE: CAUDAL DE VENTILACIÓN CONSTANTE
En este escenario el caudal de ventilación se fija constante durante las 24 horas del día e igual
al necesario para una ocupación máxima del aula, es decir 337 l/s. La evolución temporal del
CO2 en el interior de un aula ha sido calculada haciendo uso de la siguiente formula obtenida
de la norma UNE-EN 13779:2008 [3].
( ) ( )
(
)
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Siendo:
( ) la concentración en el recinto en el tiempo t, en mg/m3;
la concentración en el aire de impulsión, en mg/m3;
( ) la concentración en el recinto al comienzo, en mg/m3;
el caudal volumétrico del aire de impulsión, en m3/s;
el caudal másico de emisión en el local, en mg/s;
el volumen de aire en el local, en m3;
t el tiempo en s.
Con el valor del caudal de ventilación de 337 l/s, las hipótesis de cálculo definidas en el
apartado 3.2 y con la producción de CO2 por persona descrita anteriormente, se ha evaluado la
evolución horaria de la concentración de CO2 en el interior del aula. La siguiente gráfica
muestra dicha evolución:
Figura 5.1: Evolución horaria de la concentración de CO2 durante un día tipo.
No se representará gráficamente la evolución horaria del caudal de aire introducido porque
este es constante durante las 24 horas.
El análisis de las concentraciones de CO2 anteriores muestra lo siguiente:
- En ningún momento se alcanzan concentraciones superiores a 1373.4 mg/m3 (763 ppm).
- La diferencia máxima entre la concentración del aire interior y la concentración del aire de ventilación es, por tanto, de 653.4 mg/m3 (363 ppm).
Se exponen a continuación los diferentes valores de concentración exigidos por algunas
normas o directrices:
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Concentración Valor límite Referencia
CO2 int. – CO2 ext. 600 ppm UNE EN 13779:2008 [3]
CO2 interior 2500 ppm NTP 549 [20] Tabla 5.1: Valores límite UNE 13779:2008 y NTP 549.
Categoría Valor límite (mg/m3) Valor límite (ppm)
S1 1260 700
S2 1620 900
S3 2160 1200 Tabla 5.2. Valores límite FSIAQ [21].
Como consecuencia, podemos decir que se cumplen los requisitos de la UNE EN 13779:2008,
así como los de la NTP 549 del INSHT. Respecto a los valores límites del FSIAQ podemos decir
que las aulas se encontrarían en la categoría S2. Dicha categoría describe cualitativamente la
calidad del aire interior como buena, añadiendo que las temperaturas pueden aumentar sobre
los niveles confortables durante los días más calurosos de verano.
Este nivel de calidad de aire interior se ha conseguido mediante una tasa de ventilación que ha
ocasionado una carga sobre el sistema de climatización, dicha carga puede cuantificarse como:
Siendo:
, el caudal de aire de ventilación en m3/s,
, la densidad del aire en kg/m3 a la Tª exterior, en kg/ m3
, el calor específico del aire, en kJ/kgK a la Tª exterior,
, la diferencia entre la temperatura exterior e interior del aire en verano y la diferencia
entre la temperatura interior y exterior del aire en invierno. La temperatura interior en verano
puede suponerse 25ºC y en invierno 20ºC, durante el periodo de ocupación, ya que en esos
periodos las aulas están climatizadas.
Por tanto, para comparar la contribución a la carga de climatización debida a la ventilación en
distintos escenarios, hay que comparar fundamentalmente los caudales ya que son las únicas
variables de la expresión anterior en ambas situaciones.
5.2. ESCENARIO DE VENTILACIÓN CONTROLADO POR PRESENCIA
Este escenario se diferencia del anterior en que el caudal de ventilación no se fija constante
durante las 24 horas del día, sino que se establece una tasa de ventilación por persona que
hace que el caudal de ventilación varíe de la misma manera que lo hace la ocupación. A priori
se prevé que este escenario de lugar a niveles de concentración de CO2 superiores a los del
escenario anterior –caso base-, pero que simultáneamente tenga como consecuencia un
ahorro energético derivado de la disminución sobre la carga de climatización debida al caudal
de ventilación. Nótese que este incremento en la concentración de CO2 no tiene por qué tener
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como consecuencia inmediata una disminución de la calidad de aire interior ya que la
clasificación de los distintos niveles de calidades es discreta, es decir no depende de los valores
instantáneos de la concentración.
Por último, cabe destacar que este escenario requiere una tecnología capaz de evaluar el
número exacto de personas que se encuentran en el interior del aula en cada momento. Lo
cual implica el uso de detectores direccionales –sensores dobles- de paso en todas las puertas
de acceso al aula.
Lo que se ha observado en las simulaciones realizadas es que cuando se introduce un caudal
de ventilación proporcional a la ocupación, la concentración de CO2 a la que se tiende en
régimen permanente, es decir cuando ha pasado un periodo de tiempo suficientemente
amplio, es independiente de la ocupación. De tal forma que la constante de proporcionalidad
del caudal de ventilación -el caudal de aire por persona prefijado en el diseño- determinan
dicha concentración de CO2 en el permanente. De esta forma, y haciendo el proceso inverso, si
se fija un determinado nivel de CO2 máximo admisible se puede determinar el caudal de
ventilación necesario por persona.
Para las aulas del edificio docente de estudio, el caudal de 12.5 l/s por persona indicado en el
RITE dan lugar a una concentración en el permanente de 1445.6 mg/m3 (803.1 ppm).
Figura 5.2: Evolución horaria de la concentración de CO2 en el aula con una ventilación proporcional a la
ocupación de 12.5 l/s por persona.
Para explicar gráficamente el caudal introducido en cada instante de tiempo haremos uso de la
siguiente gráfica:
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Figura 5.3: Evolución horaria del caudal de ventilación con una ventilación proporcional a la ocupación
de 12.5 l/s por persona.
La primera conclusión es que se mantienen los niveles de calidad de aire interior dados por los
indicadores descritos en el caso base –cumplimiento con la UNE 13779:2008 y categoría S2
según FSIAQ-, con un ahorro energético en la carga correspondiente a ventilación del 65%.
La segunda conclusión se obtiene, haciendo un procedimiento de diseño a partir del resultado,
es decir, si se desease una concentración máxima en el interior del aula de 900 ppm (1800
mg/m3), y así seguir cumpliendo con los requisitos de calidad de aire interior, aumentando aún
más el ahorro energético, la tasa de ventilación por persona se podría reducir a 10.2 l/s. Siendo
la reducción en la carga de ventilación del 18.5% con respecto a la tasa de ventilación de 12.5
l/s por persona y del 71.7% respecto del caso base –caudal de ventilación constante-.
La siguiente figura muestra simultáneamente la evolución de la concentración de CO2 para
tasas de ventilación de 17.6l/s, 12.5l/s y 10.2l/s, por persona, respectivamente. El primero de
los casos garantiza la entrada en la mejor categoría según el FSIAQ, S1, donde los ocupantes
presentan una mayor satisfacción con respecto al confort térmico en verano e invierno, y
menores riesgos de salud, con un ahorro energético con respecto al caso base del 51.2%.
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Figura 5.4: Evolución horaria de la concentración de CO2 en el aula con una ventilación proporcional a la
ocupación de 17.6l/s, 12.5l/s y 10.2l/s por persona.
Otras conclusiones importantes para el diseño, relativas al valor al que tiende la concentración
de CO2 son:
- Dicha concentración es prácticamente independiente del volumen de la habitación considerada. Así que pueden generalizarse los resultados si se mantienen los criterios de diseño de esta estrategia.
- Dicha concentración únicamente depende de la tasa de producción de CO2 de las personas que ocupasen dicha habitación, de tal forma que no sería el mismo valor válido para un aula docente y para un gimnasio. En general el valor proporcionado si sería válido para edificios de enseñanza y de oficinas.
- La siguiente gráfica muestra una ley donde puede verse la concentración de CO2 máxima alcanzable, en función de la tasa de ventilación por persona.
Figura 5.5: Concentración de CO2 máxima alcanzable en una sala de uso docente u oficinas (met=1.2) en
función de la tasa de ventilación por persona.
- El tiempo para alcanzar la concentración máxima es variable y depende del perfil de ocupación, en la siguiente gráfica se muestran superpuestas las concentraciones de CO2 para el perfil de ocupación dado y para un perfil donde se adelanta la ocupación del 90% a la tercera hora. En ambos casos se observa que se alcanza la concentración máxima con un desfase de 40 minutos posterior a la ocupación máxima.
400
500
600
700
800
900
1000
1100
5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5
Co
nce
ntr
ació
n M
áxim
a d
e C
O2 (p
pm
)
Tasa de ventilación (l/s por persona)
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Figura 5.6: Evolución horaria de las concentraciones de CO2 para el perfil de ocupación dado y para un
perfil donde se adelanta la ocupación del 90% a la tercera hora.
5.3. ESCENARIO DE VENTILACIÓN CONTROLADO POR PRESENCIA
CON RETARDO
Este escenario se plantea por un doble motivo, por un lado, ciertos sistemas de control
presentan un desfase entre la detección de la variable a medir y la toma de decisión; por otro
lado, podemos creer conveniente mantener la ventilación del instante anterior si la ocupación
baja en aras de obtener unas concentraciones de CO2 más reducidas.
En la primera de las situaciones anteriores, cuando el sistema de control presenta un cierto
retraso en la toma de decisiones, la concentración de CO2 en el interior del aula tiende al
mismo valor de régimen permanente detectado anteriormente, pero con ciertas oscilaciones
provocadas por dicho retraso en la respuesta. La siguiente figura muestra las concentraciones
que se obtendrían en este caso:
Figura 5.7: Evolución horaria de la concentración de CO2 en el aula, con una tasa de ventilación de 12.5
l/s por persona con un retardo de 10 minutos debido al sistema de control.
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Como consecuencia, si el sistema de control presentase dicho retraso habría que tenerlo en
cuenta porque en ciertos momentos la concentración interior podría superar a la
concentración máxima determinada en el escenario anterior.
En la segunda de las situaciones descritas al comienzo del escenario, podemos decir que si se
aplicase un retraso en la actualización del caudal necesario sólo cuando se detectase bajada en
la ocupación, las concentraciones interiores serían mejoradas con respecto a las obtenidas en
el escenario de control de la ventilación por presencia.
Figura 5.8: Evolución horaria de la concentración de CO2 en el aula, con una tasa de ventilación de 12.5
l/s por persona aplicando un retraso de 10 minutos a la selección del nuevo caudal cuando la ocupación
se reduce.
5.4. ESCENARIO DE VENTILACIÓN CONTROLADO POR
CONCENTRACIÓN DE CO2
Este escenario se diferencia del escenario base, en que el caudal de ventilación no se fija
constante durante las 24 horas del día, sino que se establece un caudal de ventilación que
depende de la concentración interior de CO2.
Este escenario requiere una tecnología capaz de evaluar las concentraciones de CO2,
actualmente existen en el mercado sondas que miden esta variable mediante espectroscopía
de infrarrojos, el número mínimo de puntos a muestrear depende de la superficie total
construida del edificio o del área parcial objeto de estudio según la siguiente expresión:
√
Siendo:
P, el número de puntos a medir,
S, la superficie del espacio en m2.
Para un aula de estas características se necesitarían dos sensores en dos aulas tipo y uno en el
resto.
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La ley que se ha usado para determinar el caudal de ventilación en función de la concentración
interior de CO2 es la siguiente:
Caudal (l/s) [CO2 (mg/m3) [CO2] ] (ppm)
675 ≥1350 ≥750
338 1050-1350 583-750
169 <1050 <583 Tabla 5.3. Ley de control para ventilación en función de la concentración de CO2.
Las siguientes gráficas muestran la evolución horaria de las concentraciones de CO2 obtenidas
con la ley anteriormente descrita:
Figura 5.9: Evolución horaria de las concentraciones de CO2 y H2O en un escenario de control de la
ventilación por concentración de CO2.
Figura 5.10: Evolución horaria de los caudales de ventilación en un escenario de control de la ventilación
por concentración de CO2.
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Como puede deducirse de la gráfica anterior, este escenario mantiene un nivel de calidad de
aire interior igual al escenario base, con un ahorro energético del 28%.
Para disminuir la amplitud de las oscilaciones se puede establecer un control de 5 saltos como
el dado por la siguiente tabla:
Tabla 5.4: Ley de control para ventilación en función de la concentración de CO2 con 5 tramos.
Que da lugar a las siguientes evoluciones horarias:
Figura 5.11: Evolución horaria de la concentración de CO2 en un escenario de control de la ventilación
por concentración de CO2 con 5 tramos.
Figura 5.12. Evolución horaria de los caudales de ventilación en un escenario de control de la ventilación
por concentración de CO2 con 5 tramos.
Caudal (l/s) [CO2] (mg/m3) [CO2] (ppm)
675 ≥1350 ≥750
450 1220-1350 677.8-750
338 1110-1220 616.7-677.8
250 1000-1110 555.6-616.7
169 <1000 <555.6
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Como puede deducirse de la gráfica anterior, este escenario mantiene un nivel de calidad de
aire interior igual al escenario base, con un ahorro energético del 30.6%.
5.5. ESCENARIO DE VENTILACIÓN CONTROLADO POR HUMEDAD
Este escenario se diferencia del escenario base, en que el caudal de ventilación no se fija
constante durante las 24 horas del día, sino que se establece un caudal de ventilación que
depende de la concentración interior de vapor de agua.
Este escenario requiere una tecnología capaz de evaluar las concentraciones de H2O.
Actualmente existen en el mercado sondas que miden esta variable, y para un aula de estas
características se necesitarían entre uno y dos sensores situados en un punto representativos
del aula –rejillas de salida o retorno del aire, zona de ocupación-.
La evolución temporal del H2O en el interior de un aula ha sido calculada de la misma forma
que fue calculada la concentración de CO2, particularizándola para la humedad. En este caso el
valor de la concentración de H2O en el aire de impulsión es de 6 g/m3, siendo la emisión de
H2O por persona 50 g/h.
La ley que se ha usado para determinar el caudal de ventilación en función de la concentración
interior de H2O es la siguiente:
Tabla 5.5: Ley de control para ventilación en función de la concentración de H2O.
Las siguientes gráficas muestran la evolución horaria de las concentraciones de CO2 y H2O
obtenidas con la ley anteriormente descrita:
Caudal (l/s) [H2O] (g/m3)
675 ≥6.9
338 6.5-6.9
169 <6.5
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Figura 5.13. Evolución horaria de las concentraciones de CO2 (arriba) y H2O (abajo) en un escenario de
control de la ventilación por concentración de H2O.
Figura 5.14. Evolución horaria de los caudales de ventilación en un escenario de control de la ventilación
por concentración de H2O.
Como puede deducirse de la gráfica anterior, este escenario mantiene un nivel de calidad de
aire interior igual al escenario base, con un ahorro energético del 27.7%.
