Calculo del nivel de ventilación. CAI y SARS CoV 2, por Arcadio García Lastra

Los niveles de ventilación mecánica exigidos por la reglamentación y los niveles recomendados para prevenir la propagación del SARS CoV-2 no son los mismos. La ventilación consiste en introducir aire exterior, generalmente menos contaminado, al interior de los edificios.

Los regulados están fijados en el RITE para alcanzar una determinada calidad de aire interior (CAI). El RITE se basa en la norma EN 13770 recientemente sustituida por la EN 16798. Esta norma establece tres categorías de CAI que puede alcanzar una instalación de climatización (sustituye a la actual categorización en IDA, In-Door Air, del RITE):

• I (alto) locales para ocupantes con necesidades especiales (niños, ancianos, personas con discapacidades, etc.). Actual IDA 1.
• II (medio) locales con permanencias prolongadas de personas (oficinas, residencias de ancianos y de estudiantes, salas de lectura, museos, salas de tribunales, aulas de enseñanza). Actual IDA 2.
• III (bueno) locales con permanencias no prolongados (edificios comerciales, cines, teatros, museos, restaurantes, gimnasios, etc. y zonas de tránsito como pasillos). Actual IDA 3.

Los recomendados son para reducir el riesgo de propagación del SARS CoV 2 en el interior de los edificios mediante dilución. REHVA recomienda  al menos 10 L/s/o (litros/segundo/ocupante), y si es posible 20-25 L/s/o. En ATECYR recomendamos un valor mínimo de 12,5 L/s/o.

La ventilación debe garantizarse en la zona de respiración (en adelante ZR), parte de la zona ocupada a nivel de cabeza de los ocupantes, 1,7 m de pie, 1,1 sentado y 0,2 m para niños en el suelo.

Valores reglados

Los caudales de ventilación han variado en las diferentes reglamentaciones en España, pero siempre aumentando el valor de estos. En el RICCACS 1980 y RITE 1998 la ventilación mecánica no era obligatoria. Desde la entrada en vigor del RITE de 2007 la ventilación mecánica de los edificios es obligatoria. Estos valores dependen fundamentalmente de la actividad metabólica de las personas, de la concentración de contaminante interior deseada y de la efectividad de dilución (función esta del sistema de difusión de aire).

Una primera forma de determinar los valores de ventilación es obtenerlos de las tablas regladas. A continuación, se muestran los caudales mínimos (L/s/o) de ventilación por ocupante y las concentraciones máximas de CO₂ (ppm) establecidas en el RITE 2007 (actualmente vigentes) y en la nueva norma EN 16798. Los caudales son prácticamente iguales, sólo en la CAI II se incrementan de 12,5 a 14 L/s/o.

Valores calculados. Dilución del CO₂

Si se tienen datos suficientes se pueden calcular los niveles de ventilación basados en la dilución de un contaminante (se calculan mediante un balance de masas para la concentración de contaminantes en la zona respirable teniendo en cuenta la concentración de este en el aire exterior). El contaminante más común utilizado para el control de los sistemas de ventilación, es el CO₂, buen indicador de la ocupación real de las personas en una zona cuando no se permite fumar o no existe otro contaminante prioritario.

A continuación, se determinan los caudales de ventilación por este procedimiento y se van a comparar (gráficas) con los valores reglados y tabulados de ventilación mostrados anteriormente y el valor nominal de 12,5 L/s/o para prevenir el contagio por SARS CoV 2. Para ello se parte de la siguiente ecuación (balance de masas):

C_ZR = [q_C+q_D*C_D]/q_D/ε_V

Donde

• q_D caudal volumétrico de aire de dilución. Se trata de aire exterior (aire mínimo de ventilación reglamentado, q_D=q_V) o aire exterior más aire recirculado (q_D=q_V +q_R), m³/s
• q_C caudal másico de la sustancia contaminante (c) emitida en el recinto, mg/s
• C_ZR concentración permitida en el ambiente del contaminante[1], mg/m³
• C_D concentración en el aire de dilución, mg/m³
• ε_V eficacia de ventilación:

ε_V = (C_ex-C_D)/(C_ZR-C_D)

• Siendo C_ex concentración en el aire de extracción.

Valor mayor o menor que 1. ε_V = 1 si C_ex = C_ZR

Si se utiliza el CO₂ como contaminante se puede determinar que (C_e concentración en el aire exterior, mg/m³)

q_V=q_CO2/(C_ZR-C_e)/ε_V

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[1] La concentración de una sustancia en el aire se puede expresar en masa por unidad de volumen (mg/m³) o bien en ppm (partes por millón). Indicando con PM el peso molecular de una determinada sustancia, para pasar de una unidad de medida a otra se emplea la siguiente ecuación: ppm*PM/24,45=mg/m³ (condiciones estándar, 1 atm y 25 ºC).

Una buena calidad de aire se consigue si la C_ZR del CO₂ está comprendida entre 700-1000 ppm. La C_e del CO₂ depende del grado de contaminación del lugar, siendo más bajo en zonas rurales.

Vamos a analizar y comparar en primer lugar el efecto que tiene la emisión del contaminante en el local. Para ello se representa q_v en función de la emisión del contaminante interior para ε_V = 1 y C_e = 350 ppm. La cantidad de CO₂ emitido en el interior depende de la actividad metabólica (M): q_CO2 (L/s) = 0,0042*M (met)

Se puede deducir del gráfico. entre otras cosas, y para ε_V = 1 y C_e = 350 ppm:

• Los valores q_V tabulados (líneas negras) son determinados para unas ciertas condiciones nominales, no expresadas con claridad en la normativa, pudiendo en ciertos casos estar infradimensionados y en otros sobredimensionados.
• Los caudales de ventilación q_V son más elevados si la C_ZR es menor.

Estas dos conclusiones se repiten en todos los gráficos siguientes y no se reproducen.

• Los valores de q_V son más exigentes cuanto mayor es la actividad metabólica.
• Para un valor de 1,2 met y C_ZR de CO₂ de 700 ppm, el caudal de ventilación requerido es 14 L/s/o coincidente con el valor tabulado para CAI II. Es decir, el valor tabulado de 14 L/s/o para una M > 1,2 met originará que la C_ZR del CO₂ sea más elevada de 700 ppm. En cambio, con los valores tabulados de CAI II se garantiza un C_ZR menor de 1.000 ppm si la actividad metabólica es menor a 2,1 met.En segundo lugar, determinamos para una M = 1,2 met y ε_V = 1 los valores de q_v en función de la C_e de CO₂.

En segundo lugar, determinamos para una M = 1,2 met y ε_V = 1 los valores de q_v en función de la C_e de CO₂.

Se deduce del gráfico:

• Los valores de q_V son más exigentes cuanto mayor es C_e. En una zona rural los valores de q_V serán por tanto menores que en una gran metrópoli.
• Para C_ZR = 700 ppm y C_e = 333 ppm (C_ZR-C_e = 367 ppm) el caudal requerido es 14 L/s/o que coindice con el valor tabulado para CAI II. Un valor tabulado de 14 L/s/o y C_e mayor de 333 ppm originará que la C_ZR del CO₂ sea más elevada de 700 ppm. En cambio, con los valores tabulados de CAI II se garantiza un C_ZR menor de 1.000 ppm si C_e es menor de 556 ppm.

Vamos a analizar en tercer lugar el efecto que tiene la efectividad del sistema de ventilación. Esta depende del sistema de difusión del aire (mezcla o desplazamiento) que garantizará una mezcla más o menos homogénea entre el aire en la zona respirable y el de ventilación. Además de la localización de las impulsiones y los retornos la homogeneidad de la mezcla depende también de la temperatura seca de impulsión T_s y la temperatura seca en la zona ocupada T_i. Algunos valores reglados se recogen en el siguiente cuadro:

Se representa q_V en función de ε_V (M=1,2 met y C_e = 350 ppm).

Se deduce del gráfico:

• Los valores de q_V son más exigentes cuanto menor es la efectividad del sistema de ventilación (menor dilución).
• Para un valor ε_V = 1 y C_CO2 = 700 ppm el caudal requerido es 14 L/s/o que coindice con el valor tabulado para CAI II. Es decir, un valor tabulado de 14 L/s/o para ε_V < 1 originará que la C_ZR del CO₂ sea más elevada de 700 ppm. En cambio, con los valores tabulados de CAI II se garantiza un C_ZR menor de 1.000 ppm si ε_V > 0,45.

Medidas adicionales si caudal de ventilaron q_VR es menor de 12,5 L/s/o

Si no se consigue alcanzar el valor recomendado de q_V =12,5 L/s/o se puede depurar o filtrar el aire del local o el aire recirculado(q_R) para completar el valor de ventilación q_VR (q_VR < q_V).

Considerando η como la eficiencia del equipo de depuración o filtración, con respecto a la sustancia contaminante considerada (expresada en relación de masas) se puede escribir la siguiente ecuación:

C_ZR = [q_C+q_vR*C_e+q_R*C_ZR(1- η)]/(q_vR+q_R)/ε_V →[C_e=0] q_R≈(q_V-q_VR)/η

El gráfico permite establecer:

• Si %q_VR = 1, entonces q_VR = q_V = 12,5 L/s/o y entonces no es necesario tomar ninguna medida adicional, q_R = 0
• Si %q_VR = 0,5 (mitad del valor recomendado) se requerirá pasar 20 L/s/o por el filtrado o depurador cuyo η= 0,5 y 11 L/s/o si η= 0,9