Estrategias Avanzadas de Ventilación: Control por Demanda Basado en CO2

VISIÓN GENERAL

El tratamiento y conducción del aire exterior necesario para garantizar una buena calidad de aire interior (CAI) representan un porcentaje significativo del uso de energía de un edificio. Por lo anterior, es importante considerar desde las etapas de concepción (ingeniería conceptual) de cualquier proyecto de climatización, estrategias avanzadas de ventilación que puedan ayudar a reducir la energía requerida para tener una buena CAI.

Una de las estrategias que tiene mayor relevancia y uso en proyectos de climatización es la del Control de Ventilación por Demanda (CVD), la cual varía el flujo de aire de ventilación (aire exterior) en función del número de ocupantes presentes en un área climatizada. El CVD puede llegar a ser particularmente rentable para espacios con ocupación intermitente o muy variable.

El objetivo del CVD es evitar que la cantidad de aire exterior esté por debajo de los valores mínimos requeridos para garantizar una buena CAI, así como evitar, que estos valores sean tan elevados que obliguen al sistema de climatización a gastar energía innecesariamente. Se ha estimado que, en edificios comerciales de Estados Unidos, El CVD tiene el potencial de reducir las cargas de refrigeración y calefacción hasta en un 20% al año. Sin embargo, los ahorros reales pueden variar ampliamente dependiendo del clima, la variabilidad en la densidad y horario de ocupación, el tipo de edificio, si el sistema de climatización tiene o no economizador de energía y otros factores.

El enfoque más simple para el CVD es controlar la tasa de aire exterior de una manera “on-off” basada en las señales de un sensor de ocupación del área climatizada, un temporizador o interruptor de luz. Un enfoque más sofisticado utiliza una señal que es proporcional al número de personas en un área climatizada para modular automáticamente la cantidad de aire exterior necesaria.

APLICACIONES DEL CVD

Como ya se mencionó, el CVD es más recomendado para áreas densamente ocupadas con uso intermitente o variable. Para estas áreas, el CVD ofrece el potencial tanto de ahorro de energía como de una buena CAI. 

Los tipos de áreas que más se adaptan al uso del CVD en sistemas de climatización incluyen teatros, auditorios, gimnasios, aulas de clase, restaurantes, salas de reuniones en oficinas, etc. Las áreas de oficinas ocupadas de manera continua y densa y los centros de atención de llamadas, tienen menos probabilidades de ver los beneficios del CVD dada la falta de variabilidad en la ocupación.

Aunque los beneficios de ahorro de energía del CVD pueden ser pequeños en edificios de oficinas típicos, ciertos aspectos del CVD pueden ser beneficiosos para garantizar que se suministren las tasas de aire exterior especificadas en diseño bajo cualquier condición de operación del sistema de climatización. Por ejemplo, la medición continua de las tasas de aire exterior y los niveles interiores de CO₂ pueden ayudar al personal de operación y mantenimiento del edificio a encontrar fallas o hacer a justes en el sistema de climatización, evitando así una deficiencia o un exceso de aire exterior en relación con los requisitos de diseño o reglamentaciones locales. 

CVD CON BASE EN EL NIVEL DE CO₂

La medición y el control de las concentraciones de CO₂ en el interior de un área climatizada es el método de CVD más usado ya que los sensores de CO₂ y los controladores asociados son relativamente económicos y, en entornos controlados, se ha demostrado que se correlacionan bien con los niveles de contaminantes generados por las personas.

Persily 1997

Este método se basa en el hecho de que la tasa de generación de CO₂ por los ocupantes en el interior de un área climatizada es proporcional al número de ocupantes y sus niveles de actividad. Sin embargo, se debe prestar especial atención al hecho que pueden existir otras fuentes de CO₂ al interior del área climatizada que pueden ser lo suficientemente importantes como para comprometer la viabilidad de un CVD basado en la medición de niveles de CO₂.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE CVD BASADO EN MEDICIÓN DE CO₂

1. En los sistemas de climatización con retorno tipo plenum abierto, los sensores de CO₂ deben ubicarse en el área climatizada para que se puedan obtener las concentraciones promedio generadas por la respiración de los ocupantes y se deben instalar un número suficiente de estos con el objetivo de aumentar el nivel de certeza de concentración de CO₂.
2. En los sistemas de climatización con retorno por conductos, los sensores de CO₂ se pueden colocar en el conducto de aire de retorno del área climatizada si el consultor de climatización o diseñador pueden establecer la relación entre la medición de CO₂ en el conducto de retorno con las concentraciones promedio generadas por la respiración de los ocupantes en el área.
3. La concentración de CO₂ en el aire exterior debe medirse continuamente utilizando un sensor de CO₂ ubicado cerca de la toma de aire exterior. Otra opción es suponer que la concentración de CO₂ en el aire exterior es constante, siempre que este nivel constante sea relativamente alto y se base en datos históricos recientes del área donde se encuentra el edificio. Si se utiliza un valor asumido, se debe considerar en el sistema de automatización y control para compensar los posibles errores, como posiblemente tener un exceso de aire exterior a densidades de ocupación más altas o tener deficiencia de este a densidades más bajas.
4. Los sensores de CO₂ deben seleccionarse para que tengan una incertidumbre no mayor a ± 50 ppm para los rangos de concentración típicamente encontrados en aplicaciones de climatización (por ejemplo, 400 a 2000 ppm), deben haber sido calibrados en fábrica, poderse calibrar en campo y que no requieran calibración de más de una vez cada cinco años mientras estos funcionen bajo condiciones de operación típicas según las especificaciones del fabricante.
5. Debe proporcionarse fácil acceso físico para verificar que el sensor está funcionando correctamente y para realizar el mantenimiento y calibración programados. Esto ayudará a mantener adecuadamente el sistema de CVD y a validar que se suministre la cantidad adecuada de aire exterior bajo todos los niveles de ocupación y condiciones de carga variable. Es recomendable llevar un registro de datos de concentraciones de CO₂ que permita revisar la tendencia de los niveles de CO₂ con el fin de garantizar que los sensores y controles de CO₂ estén funcionando según lo diseñado.

ALTERNATIVAS AL CVD BASADO EN MEDICIÓN DE CO₂

En algunas aplicaciones, como en aulas de clase, donde la ocupación es cero o casi del 100%, el control de las tasas de aire exterior se puede diseñar con base en señales provenientes de un sensor de ocupación del área climatizada, un temporizador o interruptor de luz. 

Otras formas de CVD se basan en tecnologías que pueden contar la cantidad de personas que entran y salen de un área climatizada y de esta manera ajustar la cantidad de aire exterior necesaria. En su forma más simple, esto se realiza estimando el número de personas durante ciertos períodos de tiempo y de esta manera programando el suministro de aire exterior necesario. Sin embargo, nuevos avances en tecnologías de detección pueden llegar a automatizar esta tarea.

Autor: Ernesto Porras 

Referencias: ASHRAE Indoor Air Quality Guide