11/02/2011 Pgina1de17

SOLUCIONES DE AHORRO ENERGTICO EN CONTROL DE HUMEDAD

Juan Boeta TejeraTecniseco Ingenieros S.L.

11/02/2011 Pgina2de17

SOLUCIONES DE AHORRO ENERGTICO EN CONTROL DE HUMEDAD

1 Normas recogidas por el RITE1 Las exigencias temperatura y humedad relativa interior se consideran satisfechas, cuando considerando una actividad metablica de las personas de 1,2 met, un grado de vestimenta de 0,5 clo en verano y 1 clo en invierno, y un porcentaje estimado de insatisfechos entre 10 y 15%, se mantienen unas con-diciones en verano de 2325 C/4560% y en invierno de 2123 C/4050%.

En caso de no cumplirse las condiciones anteriores, se sigue la norma UNE-EN ISO 7730. En locales que alberguen piscinas climatizadas, la temperatura seca del aire se mantendr entre 1 y 2 C por encima de la de vaso, con un mximo de 30 C. La H.R. se mantendr siempre por debajo del 65% para proteger los cerramientos de la formacin de condensaciones.

Con el fin de alcanzar las categoras de calidad de aire interior recogidas en el apartado IT 1.4.2.2 del RITE, ste exige la introduccin al edificio de unos caudales mnimos de aire exterior de ventilacin. ste aire exterior debe ser debidamente filtrado, por lo tanto, en todas las secciones de filtracin (salvo las situadas en tomas de aire exterior) se debe garantizar las condiciones de funcionamiento en seco. Por ello, la humedad relativa del aire debe ser siempre menor que el 90%.

En el apartado IT 1.1.4.3 se establece que el agua de aportacin para la humectacin o el enfriamiento adiabtico debe tener calidad sanitaria.

De igual forma, tampoco se permite la preparacin de agua caliente para usos sanitarios mediante la mezcla directa de agua fra con condensado o vapor procedente de calderas.

En el apartado IT 1.2.4.3.2, se establece una clasificacin de los sistemas de control de las condiciones termo-higromtricas.

En el apartado IT 1.2.4.5.2, se regula la recuperacin de calor del aire de extraccin al exterior en edificios. Por este motivo, sobre el lado de extraccin, se debe instalar un aparato de enfriamiento adiabtico. Las eficiencias mnimas en calor sensible sobre el aire exterior (%) y las prdidas de presin mximas (Pa) en funcin del caudal de aire exterior (m3/s) y de las horas anuales de funcionamiento sern las que se marcan en la siguiente tabla:

1BOE nm. 207, Real Decreto 1027/2007 de 20 de julio, parte II Instrucciones tcnicas, 2007.

11/02/2011 Pgina3de17

Horas anuales de

funcionamiento

Caudal de aire exterior (m3/s) > 0,5 1,5 > 1,5 3,0 > 3,0 6,0 > 6,0 - 12 > 12 % Pa % Pa % Pa % Pa % Pa

< 2000 40 100 44 120 47 140 55 160 60 180 > 2000 4000 44 140 47 160 52 180 58 200 64 220 > 4000 6000 47 160 50 180 55 200 64 220 70 240

> 6000 50 180 55 200 60 220 70 240 75 260

Tabla 1 Eficiencia de la recuperacin

En las piscinas climatizadas, la energa trmica contenida en el aire expulsado tambin debe ser recuperada, con una eficiencia mnima y unas prdidas mximas de presin iguales a las indicadas en la tabla anterior para ms de 6000 horas anuales de funcionamiento, en funcin del caudal. Alternativamente al uso del aire exterior, el mantenimiento de la humedad relativa del ambiente puede lograrse por medio de una bomba de calor, dimensionada especficamente para esta funcin, que enfre, deshumedezca y recaliente el mismo aire del ambiente en ciclo cerrado. 2 Importancia del control de humedad en edificios pblicos

2.1 La humedad relativa y el confort2

El ser humano es generalmente poco sensitivo a los cambios de humedad relativa, cuando stos se mantienen dentro de un margen del 30 - 70 % y a una temperatura confortable.

En un reciente estudio realizado a temperaturas de confort (21,1 a 27C) con puntos de roco entre 2,2 y 20C con 20 personas en actividad sedentaria vestidas con ropa ligera, se demostr que la respuesta psicolgica al confort trmico (no actuar para modificarlo como, por ejemplo, abrir la ventana, desvestirse, etc) mostr que el 90% de los individuos se encontraban mejor cerca del 50% de humedad relativa. Se puede observar bien en la siguiente grfica (Fig.1), donde el TAC (Thermal acceptance for confort) es apoyado, en temperaturas de confort, por mayor nmero de individuos cerca del 50% de humedad relativa. Por otro lado, la sequedad de la piel afecta directamente a diferentes funciones metablicas, incluyendo la toma de oxgeno, desprendimiento de vapor de agua, sales, calor, etc. La evaporacin excesiva de este vapor de agua hace que su reposicin mediante difusin por capilares no sea suficiente y aparezcan problemas relacionados con la sequedad de la piel.

2 Humidity Control Design Guide, Lew Harriman and others, ASHRAE, 2006.

11/02/2011 Pgina4de17

Figura 1 - Confort sentido en funcin de la humedad ambiental

2.2 La humedad relativa y la salud3

Los estudios de supervivencia de microorganismos indican como condiciones de aire ms favorables los ambientes muy secos o muy hmedos, y como ms desfavorables los que presentan un H.R. en torno al 50 %.

Adems, la cantidad de polvo presente en el ambiente, tanto en su generacin como en su mantenimiento en suspensin, disminuye con el contenido de H.R. dado que sta favorece los depsitos por gravedad.

En la figura 2 se observa cmo segn aumenta la altitud sobre el nivel del mar de la vivienda, menor nmero de pacientes de asma sufren reacciones positivas al polvo de la vivienda. La humedad del aire disminuye segn aumenta la altura sobre el nivel del mar.

3 Humidity Control Design Guide, Lew Harriman and others, ASHRAE, 2006.

11/02/2011 Pgina5de17

Figura 2 - Reaccin de pacientes de asma al polvo en funcin de la altitud sobre el nivel del mar

La cantidad de polvo presente en un ambiente incide directamente en la salud, dado que los microorganismos se trasladan adheridos a stas partculas slidas.

2.3 La humedad relativa y los materiales

En general, se puede afirmar que la mayor parte de los materiales son sensibles a la humedad ambiental, pudindose considerar dos tipos de "reacciones" al respecto:

- "Reacciones" irreversibles, es decir, que una vez afectado el material por el cambio de humedad no vuelve a su estado original aunque modifiquemos la humedad en sentido inverso.

Los ejemplos ms grficos pueden ser la corrosin de los metales ferrticos o el deterioro de las frutas y verduras cuando se secan.

Esto es fcilmente observable en la siguiente grfica (Fig.3). En sta, a la izquierda, observamos como en presencia de polvo de sal marina, el acero gana corrosin tras trece dias de exposicin. Se ve como influye en este caso la humedad relativa, que crece de forma exponencial.

A su derecha, la grfica ilustra como las sales que favorecen la corrosin de metales comienzan a disolverse en funcin de la humedad relativa del ambiente.

11/02/2011 Pgina6de17

Figura 3 - Peso de acero corrodo en funcin de la H.R. del ambiente (Izquierda)

Valor de H.R. del aire para el cual sales que favorecen la corrosin comienzan a disolverse (Derecha)

- "Reacciones" reversibles, es decir, la prdida o ganancia de un material higroscpico de vapor de agua por cesin o absorcin de vapor de agua al ambiente. Algunos ejemplos de esto pueden ser la madera, papel, tabaco, azcar, etc.

Indudablemente, el mantenimiento de la H.R. adecuada es un requisito imprescindible en multitud de procesos de almacenamiento, manipulacin y produccin de materiales, incidiendo directamente en la calidad de los mismos.

2.4 La humedad relativa y la electricidad esttica

El aire con una humedad relativa inferior al 45 % permite la acumulacin de cargas electrostticas en muchos tipos de maquinaria de produccin y de oficinas e incluso en personas. La electricidad esttica se origina en nuestro entorno continuamente por el movimiento de materiales de gran resistencia elctrica contra otros. Un ejemplo tpico es el caminar de la gente sobre moquetas, etc. Esta electricidad slo es problema cuando las condiciones ambientales permiten su acumulacin, no slo cuando genera efectos desagradables como cuando la descarga la recibe una persona, sino cuando se da en una atmsfera explosiva o inflamable, con el riesgo que esto entraa.

As mismo, estos fenmenos son muy importantes en salas de ordenadores y centros de proceso de datos, donde pueden originar problemas de fallos electrnicos en circuitos, acumulaciones de polvo en las cabezas lectoras e incluso roturas en soportes magnticos almacenados.

El aumento de la H.R. no evita la formacin de dichas cargas, pero s su acumulacin. El aumento adecuado de la H.R. genera una fina lmina de humedad sobre las superficies de los materiales que permite que las cargas se desplacen a tierra antes de que se alcancen niveles de potencial elevados. El

11/02/2011 Pgina7de17

Directorio de Productos y Manual ASHRAE recomienda una H.R. mnima del 45 % para reducir o prevenir la acumulacin de cargas electrostticas, aunque algn tipo de fibras como la lana y algunos tejidos sintticos necesitan H.R. superiores.

De manera conjunta, se pueden resumirse todas estas causas en el siguiente grfico4:

Figura 4 Intervalo de H.R. para un ambiente sano

3 Sistemas habituales de humidificacin y deshumidificacin5 3.1 Humidificacin El proceso de humidificacin consiste en aumentar el contenido de vapor de agua en el aire. Para alcanzar este fin, pueden seguirse dos mtodos:

- Humidificacin isotrmica En este mtodo, se dota de energa al agua en cantidad suficiente para vaporizarla y luego este vapor se lo mezcla con el aire. Se distinguen dos tipos de equipos, los equipos autoproductores de vapor y los equipos inyectores de vapor. Los equipos autoproductores cuentan con un depsito donde se almacena el agua a evaporar. La energa de vaporizacin puede ser elctrica, gas, vapor de caldera o lquido sobrecalentado.

4 Why Humidify?, Dri Steem, 2009. 5 Manual de climatizacin, Enrique Torrella Alcaraz y otros, AMV Ediciones, 2005.

11/02/2011 Pgina8de17

Figura 5 Humidificacin isotrmica

Los equipos de inyeccin de vapor distribuyen el vapor generado en una caldera comn, si ste cuenta con calidad sanitaria y lo mezclan directamente en el caudal de aire.

- Humidificacin adiabtica En este mtodo, es la energa del propio aire la que se encarga de vaporizar el agua, enfrindose en consecuencia, y aumentando su contenido de humedad. Para alcanzar buenos rendimientos, es necesario aumentar la superficie de contacto agua aire.

Figura 6 Humidificacin adiabtica

Se distinguen dos tipos de equipos, los equipos de panel evaporativo y los equipos de atomizadores por aire comprimido. En los equipos de panel evaporativo se hace pasar el agua y el aire en flujos cruzados por un panel de gran superficie interior, donde el contacto de aire agua es de larga duracin y el proceso de evaporacin es mximo. En los equipos de atomizadores por aire comprimido se pulveriza en finas partculas el agua, de manera que el aire las absorba en la mnima distancia posible.

11/02/2011 Pgina9de17

3.2 Deshumidificacin El proceso de deshumidificacin consiste en disminuir el contenido de vapor de agua en el aire. Para alcanzar este fin, pueden seguirse dos mtodos:

- Deshumidificacin por condensacin En este proceso, por medio de un circuito frigorfico se disminuye la temperatura del caudal de aire por debajo de su punto de roco provocando la condensacin del exceso de humedad del mismo. Posteriormente se lo calienta y se obtiene un aire con menor H.R. que la inicial.

Figura 7 Deshumidificacin por condensacin

- Deshumidificacin por adsorcin Este proceso consiste en hacer circular el caudal de aire por una rueda fabricada en gel de slice capaz de quitarle la humedad al mismo. Simultneamente, la rueda es reactivada por un caudal de aire caliente a contracorriente que tiene mayor avidez por el vapor de agua que sta.

Figura 8 Deshumidificacin por adsorcin

11/02/2011 Pgina10de17

4 Alternativas de bajo consumo energtico

4.1 Sistemas de dispersin de vapor

Como se mostrar en el apartado siguiente, parte del ahorro energtico se da a la hora seleccionar el equipo productor de vapor. Otra parte muy importante se da a la hora de seleccionar el sistema de dispersin de vapor y la correcta instalacin del mismo.

En primer lugar, la distancia mxima recomendada desde la salida del equipo autoproductor hasta el sistema de dispersin es de 3 metros. En caso de necesitarse una distancia superior a sta, se recomienda que la distribucin no sea en manguera, sino en tubera de cobre y que adems sta se encuentre aislada trmicamente. Esto se debe a que la produccin de condensados se incrementara lo suficiente como para que el rendimiento del equipo caiga pronunciadamente.

En segundo lugar, el sistema de dispersin tambin juega un papel importante en el consumo energtico, dado que cuanto ms eficiente sea la dispersin, menor cantidad de condensados se formarn.

De manera resumida puede decirse que existen tres tipos de sistemas de dispersin: lanza simple, sistema multitubo de un colector y sistema multitubo de colector doble. La distancia de absorcin y los condensados generados dentro del sistema de dispersin disminuyen segn este orden. Adems, cuanto menor sea la distancia de absorcin, menor riesgo existe de formacin de condensados dentro del conducto o climatizador donde se instalen.

Figura 9 (a) Lanza simple, (b) Multitubo de un colector, (c) Multitubo de colector mltiple

Algunos equipos, adems, pueden requerir que el agua con que se los alimente lleven algn tratamiento, por tanto, los equipos que cumplan con estas tareas tambin pueden llegar a formar condensados como gasto aadido al coste energtico de su propio funcionamiento.

11/02/2011 Pgina11de17

Cabe recalcar que todos los kg/h de condensados que se recogen son kg/h de vapor producidos que pueden traducirse rpidamente en kwh consumidos y desperdiciados.

4.2 Humidificadores a gas6 Los humidificadores a gas son equipos autoproductores que producen vapor limpio sin presin.

Figura 10 Equipo de gas

Segn se deduce del esquema de la figura anterior, el aire a alta temperatura pasa por el intercambiador de calor tubular provocando la evaporacin del agua del depsito. El vapor generado se conduce sin presin hasta el punto de dispersin. La regulacin del equipo se consigue actuando sobre los quemadores y, junto con la baja inercia trmica de este sistema, se alcanza un control preciso de la produccin de vapor y de la H.R. en sala del 3 %. La instalacin de los humidificadores de gas es sencilla y el mantenimiento prcticamente nulo. Requieren salida de humos. Si bien el coste de compra de esta clase de unidades es medio alto, el coste de operacin es mucho menor que el que tendra la misma produccin en equipos elctricos, tal como se ve en la siguiente figura:

6 Catlogo equipo a gas GTS, DriSteem, 2010.

11/02/2011 Pgina12de17

Figura 11 Comparacin humidificador a gas humidificador elctrico

Por tanto, el ahorro en el coste del kg/h producido por gas frente al kg/h elctrico, conducira a una recuperacin del capital inicial en los primeros aos de operacin.

A medida que se requiere una mayor produccin de vapor, la diferencia entre equipos a gas y equipos elctricos se hace ms acusada. Adems, los quemadores al ser de infrarrojos no tienen llama piloto, facilitando un mayor ahorro y un aumento aadido en materia de seguridad.

Caso prctico: Supongamos que se tiene que realizar la humectacin a gas de tres UTAs de aire primario para Universidad. Laboratorios y despachos anexos. Se dispone de los siguientes datos: Caudales de UTAs: 27.700 m3/h (2) y 35.500 m3/h. Cargas de humectacin de 250 kg/h y 320 kg/h. Se supone adems un coste del gas natural de 0,04 eur/kWh y de electricidad 0,12 eur/kWh. El funcionamiento en horas laborables y la climatologa de Madrid. La dureza del agua se estima en 10F y las emisiones Espaa en 2009: 0,510 kg CO2/kWh. Los resultados en comparativa con humidificadores elctricos por resistencias en explotacin muestran unos valores de ahorro anual de 21.800 eur y 28.050 eur respectivamente. As mismo la reduccin emisiones de CO2 son de 89.392 Kg/ao y 115.984 Kg respectivamente.

11/02/2011 Pgina13de17

Observacin: No se ha considerado el coste del sistema de dispersin, costes de mto. (mano de obra y materiales) y el coste de instalacin.

4.3 Deshumidificadores de aire por aire exterior7

Supongamos que se tiene un recinto en el cual se deben mantener unas ciertas condiciones de humedad y temperatura determinadas y que para alcanzarlas se debe deshumidificar. Bajo este supuesto, se instala una mquina que deshumidifica por condensacin.

Si la mquina opera todo el ao, las condiciones exteriores variarn segn las estaciones y el modo de funcionar del equipo, en consecuencia, tambin.

Tal como se expuso en el apartado 1, el RITE obliga a introducir un mnimo de aire exterior, el cual segn sean las condiciones de ste, convendr que sea el mayor o menor posible.

Si vemos el esquema de la siguiente figura, el aire que entra del exterior atraviesa un recuperador de calor de placas antes de mezclarse con el caudal de retorno. Luego se concluye que las condiciones de impulsin varan acorde a las condiciones de ste.

Figura 12 Deshumidificador por condensacin

Por tanto, en aquellos das del ao en que el aire exterior se encuentre muy seco, la unidad podra llegar a trabajar sin necesidad de emplear la bomba de calor ya que la humedad podra controlarse regulando el caudal del aire de entrada con el consecuente ahorro energtico que esto supone. Sin embargo, es importante recalcar que los das en que el aire exterior se encuentra ms seco son aquellos en que tambin se encuentra ms fro, por tanto a la hora de valorar el ahorro energtico hay que considerar que ese aire seco hay que calentarlo antes de su impulsin. Como se ve, a la hora de contabilizar el gasto energtico que se tiene en el uso de estos equipos, hay que manejar simultneamente varias variables. Por ello,

7 Technical information DanX Swimming Pool Air Management, Dantherm, 2010.

11/02/2011 Pgina14de17

lo ms conveniente es la instalacin de unidades que cuenten con un sistema de control que vayan midiendo en tiempo real stas variables y decidan en funcin de stas los caudales de paso convenientes en cada momento.

4.4 Recuperacin de calor en la reactivacin de rotores desecantes8

Como se describi anteriormente en el apartado 3.2 Deshumidificacin por adsorcin, parte del proceso consta de la recuperacin del rotor desecante mediante el paso de aire caliente a travs de ste.

Figura 13 Rotor desecante con recuperador de calor en la reactivacin

La configuracin bsica, sin recuperador esttico, se compondra de los caudales 1 4 del esquema donde: 1 Aire de proceso para secar. 2 Aire de impulsin seco. 3 Aire de extraccin caliente y hmedo. 4 Aire de reactivacin caliente y seco. El aire de proceso (1) atraviesa el rotor desecante y al abandonarlo (2) lo hace transfiriendo su humedad al mismo. Simultneamente, el aire de reactivacin (4) le extrae el exceso de humedad al rotor devolvindolo a sus condiciones iniciales. Finalmente el aire de extraccin (3) se libera al exterior.

8 Catlogo Deshumidificador de aire serie DFRA, Fisair, 2010.

1 2

3 4

5 6

11/02/2011 Pgina15de17

Sin embargo, a esta configuracin bsica se le puede plantear una mejora que supondra un ahorro energtico del 30 40 % segn las condiciones de funcionamiento del equipo. sta consiste en colocar un recuperador esttico para intercambiar el calor del caudal de extraccin (3) y precalentar el aire de recuperacin (4). De esta manera, el aire de extraccin pasara a ser el caudal (6) y el de reactivacin el caudal (5).

4.5 Reforma de instalaciones de vapor centralizado a vapor limpio Como ya se mencion en el apartado 1, el RITE exige que las instalaciones de climatizacin no pueden utilizar directamente el vapor procedente de calderas a menos que ste sea de carcter sanitario. Supongamos por tanto que existe una red de distribucin de vapor que, entre otros cometidos, utiliza vapor de calderas que no cumple esta condicin y difunde al ambiente. sta se la representa segn el siguiente esquema:

Figura 14 Esquema de red de distribucin de vapor de caldera

As pues, esta instalacin necesita ser modificada a modo de cumplir con la normativa vigente. Para ello, se presentan varias alternativas.

La primera de ellas es reemplazar todas las tuberas, que suelen ser de fundicin, por tuberas de acero inoxidable asegurando que resisten las condiciones de operacin. De igual manera, se debe reemplazar la caldera para producir vapor limpio y los inyectores de ese vapor tambin en acero inoxidable.

Una segunda opcin es instalar otra caldera de menor tamao junto a la existente que genere vapor limpio a fin de suministrar el caudal necesario solamente destinada a la humidificacin. El tendido de tuberas tambin debe ser de acero inoxidable, al igual que los inyectores, de forma similar que en el caso anterior.

11/02/2011 Pgina16de17

Otra alternativa es reemplazar los inyectores de vapor por equipos autoproductores que intercambien el calor del vapor de caldera y generen vapor limpio. La modificacin en la instalacin existente nicamente sera un retorno a la caldera de la salida de los equipos autoproductores y la conexin para distribuir el vapor generado, como se representa en la siguiente figura:

Figura 15 Esquema de red de distribucin de vapor limpio

De esta manera, se reducen las modificaciones a efectuar y los costes acarreados por las mismas.

11/02/2011 Pgina17de17

5 Referencias bibliogrficas

- BOE nm. 207, Real Decreto 1027/2007 de 20 de julio, parte II Instrucciones tcnicas, 2007.

- Revista Montajes e Instalaciones, Autor P. Rodrguez Ramos, Ed. Separata, Septiembre 1992.

- Why Humidify?, Dri Steem, 2009.

- Humidity Control Design Guide, Autores: Lew Harriman and others, ASHRAE, 2006.

- Manual de climatizacin, Enrique Torrella Alcaraz y otros, AMV Ediciones, 2005.

- Catlogo equipo a gas GTS, DriSteem, 2010.

- Technical information DanX Swimming Pool Air Management, Dantherm, 2010.

- Catlogo Deshumidificador de aire serie DFRA, Fisair, 2010.