Medir la temperatura y la humedad para optimizar las instalaciones HVAC

• Importancia de la temperatura y la humedad relativa en la calidad del ambiente interior
• Escenarios y ejemplos: temperatura operativa y humedad relativa
• Cómo medir la temperatura operativa y la humedad relativa del aire
• Conclusiones  

Importancia de la temperatura y la humedad relativa en la calidad del ambiente interior

La calidad del ambiente interior influye en el bienestar de los usuarios. Se dice que la calidad del ambiente interior es buena cuando las condiciones de confort y de calidad del aire interior son óptimas. Pero dichas condiciones son cambiantes, entre ellas la temperatura y la humedad relativa.

El RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios) determina que para garantizar las condiciones de bienestar e higiene es necesario disponer de instalaciones térmicas. Dichas instalaciones se deben diseñar, calcular, ejecutar, mantener y utilizar de tal forma que garanticen unas condiciones básicas. Entre ellas la calidad térmica del ambiente y la calidad del aire interior.

La calidad térmica del ambiente se garantiza según el RITE manteniendo los parámetros que definen el ambiente térmico dentro de un intervalo de valores determinados. Todo ello con la finalidad de mantener unas condiciones ambientales confortables para los usuarios de los edificios. Dichos parámetros incluyen la temperatura operativa y la humedad relativa interior.

En lo que respecta a la calidad del aire interior, las instalaciones térmicas, según el RITE, mantendrán una calidad del aire interior aceptable en locales ocupados por personas. Para ello se eliminarán los contaminantes habituales producidos durante el uso de dichos locales. Para ello se aportará el caudal exterior suficiente, por un lado. Por otro, se garantizará la extracción y expulsión del aire viciado. Entre los contaminantes a controlar, entre ellos la humedad.  

Escenarios y ejemplos: temperatura operativa y la humedad relativa 

La temperatura operativa se define como el valor medio calculado entre la temperatura seca del aire y la temperatura media radiante de los cerramientos del local (paredes, suelo y techo). La humedad relativa en cambio se define como el cociente entre la cantidad de vapor que contiene una masa de aire y la cantidad de vapor máxima que puede transportar, para un valor de la temperatura y de presión.

El RITE regula las condiciones interiores de diseño de la temperatura operativa y la humedad relativa para el dimensionado de las instalaciones. Dichas condiciones se fijan en función de la actividad metabólica de las personas, su grado de vestimenta y el porcentaje estimado de personas insatisfechas (PPD).  Para ello diferencia entre dos situaciones:

Escenario 1. Temperatura y humedad de diseño para uso equivalente a vivienda u oficina

Personas con actividad metabólica de 1,2 met. El grado de vestimenta será 0,5 clo en verano y 1 clo en invierno. El PPD será menor a 10%.  El nivel de velocidad del aire será bajo, es decir, menor a 0,1 m/s. Para este escenario los valores de óptimos de temperatura y humedad relativa estarán comprendidos entre los valores límite siguientes:

Tabla 1.4.1.1. Condiciones interiores de diseño
Estación	Temperatura operativa (°C)	Humedad relativa (%)
Verano	23-25	45-60
Invierno	21-23	40-50

La actividad metabólica 1,2 met se corresponde con una actividad de reposo. Es decir, una persona sentada, en reposo o realizando una actividad ligera. Es el tipo de actividad que se realiza en una vivienda, una oficina, una escuela o un laboratorio por poner ejemplos reales.

El grado de vestimenta mide el índice de indumentaria de la persona. El valor 1 se corresponde con el aislamiento equivalente a vestir con traje de chaqueta y pantalones, camisa, ropa interior, calcetines y calzado.

Escenario 2. Temperatura y humedad de diseño para otros usos

Esta opción sirve para valores diferentes de actividad metabólica, vestimenta, PPD y velocidad del aire distintas a las anteriores. En este caso, el rango de bienestar y sus condiciones óptimas se calcula con arreglo a la norma UNE-EN ISO 7730:2006.

Esta norma está basada en el método de FANGER que vincula el valor de la temperatura operativa con el voto medio estimado (PMV) y el porcentaje estimado de insatisfechos (PPD). El PMV se refiere al valor medio de los votos sobre la sensación térmica de un grupo de personas sometidas al mismo ambiente.  Desde muy frío (-3) hasta muy caluroso (+3), pasando por cinco niveles intermedios: -2 (frío), -1 (ligeramente frío), 0 (neutro o confortable), +1 (ligeramente caluroso) y +2 (caluroso).

Para su cálculo se emplea un diagrama en el que para una sensación térmica neutra (PMV=0) existirá un 5% de PPD. Lo recomendable es no superar un PPD del 10% lo cual equivale a un PMV de entre +0,5 y -0,5.

En este método también se tiene en cuenta la actividad metabólica, la vestimenta, la velocidad relativa del aire (calculada mediante fórmula (3)) y una humedad relativa del aire del 50%. La metodología incluye diferentes tablas en función de la actividad metabólica.

En la imagen inferior se muestra la tabla para actividad metabólica de 1,2 met.

Primero se calcula el valor de PMV. Para ello entramos en la tabla anterior por la vestimenta, la temperatura operativa y por último la velocidad relativa del aire. Una vez conocido el valor de PMV en la tabla, acudimos al diagrama anterior (índice IMV), y obtenemos el valor de PPD (proporción de insatisfechos).

Ejemplo de cálculo de la temperatura operativa y criterios de diseño

Para este ejemplo vamos a utilizar el método del segundo escenario. Por ejemplo, en verano (0,5 clo), para una temperatura operativa de 22°C y una velocidad relativa del aire de 0,16 m/s, calculada con la fórmula para una velocidad de 0,1 m/s, el valor de PMV es -0,97, según la tabla anterior.

Dicho valor se corresponde con un PPD del 24% en el diagrama. Habría quejas por frío.

Si aumentamos la temperatura operativa a 24°C y mantenemos el resto de los parámetros, el valor de PMV sería de -0,36. O de +0,26 para una temperatura operativa de 26°C. Valores próximos al cero, sensación térmica confortable. En el primer caso estaríamos en un PPD del 8% y en el segundo caso en un PPD del 6%.

Esta metodología establece tres categorías de calidad del ambiente térmico en función de los índices de PMV y PPD. El ejemplo anterior se correspondería con la categoría B para la temperatura de 24°C y 26°C.

Los criterios de diseño para espacios tipo oficina, según la categoría de ambiente, son los que se muestran en la siguiente tabla:

Cómo medir la temperatura operativa y la humedad relativa del aire

Con todo lo anterior, ya conocemos cuáles son los valores de referencia para alcanzar las condiciones óptimas de confort. También se ha comentado los métodos para su cálculo. Condiciones necesarias para el diseño de las instalaciones. Pero una vez en funcionamiento, puede ser necesario su medición, para garantizar que dichas condiciones de diseño se cumplen. O, mejor dicho, que los valores de temperatura operativa y de humedad relativa del aire se encuentran dentro del rango de bienestar.

La medición de parámetros como la temperatura operativa o lo humedad relativa interior se obtiene de distintas formas. La más habitual suele ser mediante dispositivos específicos que registran toda la información y posteriormente la envían a una unidad de control.

Higrómetros

Un higrómetro es un dispositivo que se utiliza para medir la humedad relativa del aire o el contenido de vapor de agua. En el mercado podemos encontrar básicamente dos tipos de higrómetros:

• Higrómetro de aguja o analógico

Es el más básico de todos. Mide la humedad relativa en una esfera ya que incluye una bobina metálica que se contrae o expande cuando cambia la humedad del aire. Los movimientos de contracción y expansión se transmiten a una aguja que indica la humedad relativa en cada momento. Son bastante básicos y requieren de calibración para su correcto funcionamiento. No son muy precisos.

• Higrómetro digital o electrónico

A diferencia del anterior es un dispositivo que incorpora un sensor electrónico para medir la humedad. También incluye una pantalla digital donde se muestra la medición. Son más precisos que los anteriores. Funcionan mediante batería o conexión a red.

Termohigrómetros

Un termohigrómetro sirve para medir la temperatura y la humedad relativa del ambiente interior. Existen básicamente dos tipos:

• Termohigrómetros analógicos

Aparatos en los cuales la medición viene indicada mediante escalas graduadas o esferas de agujas. Son fáciles de utilizar, precisos y funcionan sin consumo eléctrico. Son bastante simples ya que ofrecen pocas funciones.

• Termohigrómetros digitales

Dispositivos electrónicos que incluyen una pantalla digital para su lectura. Ofrecen gran variedad de funciones, son precisos, fáciles de usar y de leer. Se alimentan mediante baterías o toma de electricidad. Pueden utilizar sensores remotos inalámbricos, también llamados sondas.

Los termohigrómetros digitales incorporan funciones adicionales, además de medir la temperatura y la humedad. Entre ellas pueden medir la presión del aire, el índice de calor HI o temperatura aparente, el índice WBGT  para la valoración del riesgo de estrés térmico, la temperatura del punto de rocío, la temperatura de bulbo húmedo o las temperaturas máximas y mínimas. Pueden funcionar con sensor incorporado o sensores remotos, sondas desmontables con o sin cable e incorporar alarmas, acústicas y ópticas, en el caso de superar valores límite. También puede incluir data logger o registradores de datos en tiempo real, y conexión con equipo informático donde volcar los datos registrados.

Estos dispositivos son ideales para medir las condiciones ambientales dentro y fuera de la vivienda o local.  Para ello el termohigrómetro digital cuenta con un sensor externo inalámbrico que mide la temperatura y humedad relativa donde se ubique y transmite los datos a la unidad principal.

Sondas de medición

Las sondas de medición, también llamados sensores, son dispositivos que capturan magnitudes físicas u otras alteraciones del entorno, y las envían a otro dispositivo o controlador. En lo que se refiere a la calidad térmica del ambiente y calidad del aire interior, estos dispositivos se utilizan para medir, por ejemplo, la temperatura, la humedad o la presión atmosférica. También los hay que miden el nivel de CO2 en el ambiente.

En el proceso, las sondas de medición envían los datos al controlador y éste decide qué hacen los actuadores, mediante programación. Por ejemplo, con un sensor de presencia, detecta el movimiento, envía los datos al controlador y este decide que una luz se encienda.

• Sonda de temperatura

Este tipo de sonda sirve para realizar la medición de la temperatura seca del aire, para su control y supervisión. Existen diferentes tipos de sensores de temperatura, los más comunes en el sector de la edificación son los termopares, los electrónicos y las termorresistencias. Se utilizan habitualmente para medir la temperatura del aire en estancias, en la impulsión y en la extracción del aire. Posteriormente, y en base a estas mediciones, el sistema de regulación y control ajusta los equipos que procedan ya sean de calefacción, refrigeración, ventilación o de aire acondicionado.

El termopar es el tipo de sensor más utilizado para la medición de la temperatura. Es económico, de fácil instalación, pero de respuesta lenta. Consiste en dos hilos metálicos de materiales distintos, entre los que se crea una diferencia de tensión debido a la diferencia de temperatura. La diferencia de tensión es la señal que se envía al dispositivo electrónico. Los sensores electrónicos, funcionan mediante la generación de una corriente o señal en función de la temperatura, mediante dispositivos electrónicos. Son más caros y su respuesta es rápida.

Por último, las termorresistencias o RTD, funcionan generando una señal mediante resistencias cuya conductividad es variable en función de la temperatura. Una vez analizada la señal, se obtiene la medición de la temperatura. La masa de la resistencia influye en la rapidez de respuesta.

• Sensor de humedad

Un sensor de humedad sirve para medir el vapor de agua contenido en el aire. Y también miden la temperatura. Funciona midiendo unas magnitudes que se transforman en una señal eléctrica de entre 4 y 20 Ma, normalizada y legible. Se emplea un material semiconductor encargado de determinar con precisión los valores de humedad y temperatura, correspondientes a la señal emitida.

La sonda de humedad es muy útil en sistemas de ventilación mecánica que se regulan en función de la humedad. El sensor permite ajustar el caudal de renovación del aire, de acuerdo con la humedad ambiental registrada. Por ejemplo, enviando señales a las aberturas de extracción del sistema de ventilación.

El sensor de humedad también se utiliza en sistemas de climatización. Su función es regular el sistema para que las condiciones ambientales se sitúen en el rango de confort. También puede advertir para que se regula el exceso o defecto de humedad, mediante el uso de deshumidificadores o humidificadores respectivamente.

Los sensores de humedad pueden estar conectados a un sistema domótico. En este caso, el usuario sólo tiene que preocuparse de programar la humedad y temperatura para su confort. Por otro lado, existen sensores que funcionan con IoT (Internet of Things). Esta funcionalidad permite conectar los sensores con otros dispositivos y programarlos para su funcionamiento automático. Al controlar los parámetros ambientales, pueden avisar de que la calidad del aire no es adecuada o que la temperatura o humedad superan el rango de bienestar establecido.

Existen diferentes tipologías de sensores de humedad. Los hay que miden la humedad relativa o la humedad absoluta. En general los más habituales son los sensores de conductividad, los capacitivos, los resistivos, los que funcionan por infrarrojos, los de sales higroscópicas y los mecánicos. 

Conclusiones

Vivir en un hogar o trabajar en una oficina, donde las condicionas ambientales son adversas, puede suponer un riesgo para nuestra salud. Desde temperaturas muy frías o calurosas, hasta exceso o defecto de humedad, entro otros parámetros. Para regular dichas condiciones podemos adoptar medidas pasivas o activas. Medidas basadas en estrategias que no consumen energía, como abrir ventanas cuando las circunstancias sean favorables,  incorporar estrategias bioclimáticas efectivas en la edificación. O bien mediante el uso de instalaciones mecánicas de acondicionamiento del aire y/o ventilación.

En cualquier caso, conocer el rango de confort de acuerdo con unos parámetros resulta determinante tanto para prevenir afecciones y enfermedades, como para disfrutar de condiciones ambientales saludables en el trabajo. Para ello, disponemos de tecnología suficiente que no sólo permite ajustar los parámetros ambientales a un rango de confort, sino que también nos permita realizar un uso responsable de la energía. Especialmente recomendado en este momento, en el que se deja de hablar de calentamiento climático para sustituirlo por ebullición climática.