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El dixido de carbono en la evaluacin de la calidad del aire interior

Fecha de Publicación: 3/10/2005

Redactores:

M Jos Berenguer Subils
Licenciada en Ciencias Qumicas

Flix Bernal Domnguez
Ingeniero Qumico

CENTRO NACIONAL DE CONDICIONES DE TRABAJO

Introduccin

El dixido de carbono es un gas incoloro e inodoro que se forma en todos aquellos procesos en que tiene lugar la combustin de sustancias que contienen carbono. En ambientes interiores no industriales sus principales focos son la respiracin humana y el fumar; aunque los niveles de dixido de carbono tambin pueden incrementarse por la existencia de otras combustiones (cocinas y calefaccin) o por la proximidad de vas de trfico, garajes o determinadas industrias.

La concentracin de dixido de carbono en un ambiente interior puede aportar informacin sobre distintos aspectos y circunstancias de un edificio tales como posibilidad de efectos sobre la salud de sus ocupantes, correlacin con problemas y quejas por olor o como dato para estudiar la ventilacin de un local.

Para la determinacin del dixido de carbono pueden utilizarse tubos colorimtricos o monitores porttiles ya sean fotoacsticos o de infrarrojo, siendo estos ltimos los ms verstiles y de uso ms extendido, ya que permiten tanto mediciones puntuales como mediciones promediadas en el tiempo mediante la utilizacin de acumuladores de datos que luego pueden estudiarse con un equipo informtico.

Es muy importante que la persona que lleve a cabo las mediciones mantenga el sensor lejos de su rea respiratoria, ya que en la respiracin se expiran entre 30.000 y 40.000 ppm de dixido de carbono, cantidades que pueden falsear las lecturas.

El dixido de carbono como contaminante

El dixido de carbono es un asfixiante simple que acta bsicamente por desplazamiento del oxgeno y que a elevadas concentraciones (>30.000 ppm) puede causar dolor de cabeza, mareos, somnolencia y problemas respiratorios, dependiendo de la concentracin y de la duracin de la exposicin. Es un componente del aire exterior en el que se encuentra habitualmente a niveles entre 300 y 400 ppm, pudiendo alcanzar en zonas urbanas valores de hasta 550 ppm. El valor lmite de exposicin profesional (LEP-VLA) del INSHT para exposiciones diarias de 8 horas es de 5.000 ppm con un valor lmite para exposiciones cortas de 15 minutos de 15.000 ppm. Estos valores son difciles de encontrar en ambientes interiores no in dustriales como son oficinas, escuelas y servicios en general. En la prctica, en estos recintos se encuentran valores de 2.000 y hasta 3.000 ppm. Si se superan estos niveles puede deberse a una combustin incontrolada, en cuyo caso el riesgo para la salud puede no ser debido al dixido de carbono sino a la presencia de otros subproductos de la combustin, principalmente el monxido de carbono (CO), cuyo lmite de exposicin es muy inferior (25 ppm).

El dixido de carbono como indicador de olor

La emisin de dixido de carbono en la respiracin humana est ligada a la de otros productos procedentes del metabolismo humano (agua, aerosoles biolgicos, partculas, alcoholes, aldehdos, etc.) llamados bioefluentes y responsables de la carga de olor por ocupacin humana de un local. Por ello, el nivel de concentracin de dixido de carbono en un ambiente interior puede tomarse, si no hay otras fuentes contaminantes, como indicador de la carga de olor existente debida a sus ocupantes. Para establecer valores de referencia se han realizado estudios con personas a distintas tasas de ventilacin y aunque existen datos que sugieren que a 600 ppm los individuos ms sensibles ya manifiestan quejas y molestias, en la prctica se acepta que no debe superarse una concentracin de 1.000 ppm de dixido de carbono con el fin de evitar problemas de olor y para que el aire sea considerado aceptable para aproximadamente el 80% de los visitantes del local. Los ocupantes adaptados, es decir los que llevan un cierto tiempo en el local, pueden no notar molestias, en trminos de olor corporal, hasta que la concentracin de dixido de carbono supera 2.000 ppm. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que el hecho de que no se superen en un local estos niveles de dixido de carbono no garantiza la ausencia de compuestos de origen distinto a los ocupantes (materiales, productos de consumo, actividades, etc.) que puedan ser molestos o nocivos para la salud.

Medicin del caudal de ventilacin basada en la determinacin de dixido de carbono

Estudiar el funcionamiento de un sistema de ventilacin implica, bsicamente, la medicin del caudal de ventilacin. Este dato puede conocerse midiendo directamente el flujo de aire pero a menudo es ms fcil realizar estimaciones a travs de mediciones de dixido de carbono. Adems, la comparacin, por ejemplo, de valores puntuales de dixido de carbono entre distintas habitaciones, zonas de un mismo local, puntos de tratamiento del aire o a distintas alturas respecto al suelo, puede ayudar a la identificacin y diagnstico de distintas deficiencias en el sistema de renovacin de aire de un edificio. Ello implica la utilizacin del dixido de carbono como un gas trazador ya sea utilizando el existente de forma natural en el ambiente o aadiendo un flujo controlado.

Hay varios mtodos para medir el caudal de ventilacin a partir de mediciones del nivel de dixido de carbono. Entre ellos destacan los siguientes.

Estimacin de la proporcin de aire exterior

Este mtodo es el propuesto en la Gua Tcnica para la evaluacin y prevencin de los riesgos relativos a la utilizacin de los lugares de trabajo. Consiste en medir las concentraciones de dixido de carbono en el aire exterior, en el aire saliente de las unidades de tratamiento del aire (aire de suministro) y en el aire de retorno. El porcentaje o cantidad de aire exterior se obtiene a partir de la expresin:

Donde:

Cs = ppm de CO2 en el aire de suministro (si se mide en un local) o ppm de CO2 en el aire de mezcla (si se mide en la unidad de tratamiento de aire)

CR = ppm de CO2 en el aire de retorno

Co = ppm de CO2 en el aire exterior

Hay dos factores crticos: por una parte, el momento en que se realizan las diferentes medidas, que debe ser lo ms coincidente en el tiempo que sea posible y, por otra, que al ser la precisin del resultado directamente proporcional a una diferencia de concentraciones es preferible aplicar el mtodo en periodos de ocupacin del edificio para asegurarse de que las diferencias son las mayores posibles.

El caudal de aire exterior vendr dado por el producto del caudal total de aire suministrado por la unidad de climatizacin y el porcentaje de aire exterior determinado a partir de las medidas de la concentracin de dixido de carbono.

Medida del dixido de carbono en condiciones de equilibrio

Como ya se coment, desde el punto de vista prctico, en ambientes interiores se est tomando como indicador de la calidad de aire interior la concentracin del dixido de carbono producido en la respiracin de los ocupantes del edificio y as, si no existe una reduccin de su concentracin por otro medio distinto de la ventilacin, se considera que la ventilacin es inadecuada cuando se superan las 1000 ppm de dixido de carbono.

La norma UNE 100-011-91 (Climatizacin. La ventilacin para una calidad aceptable de aire en la climatizacin de los locales) establece unos caudales de aire exterior para una calidad aceptable de aire en los locales y para controlar la concentracin de dixido de carbono y, paralelamente, olores, partculas y otras sustancias contaminantes, con un adecuado margen de seguridad. Por su parte el Real Decreto 486/1997, de 14 de abril, por el que se establecen las disposiciones mnimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo, establece que la ventilacin mnima en los locales de trabajo ser de 30 metros cbicos de aire limpio por hora y trabajador, en el caso de trabajos sedentarios en ambientes no calurosos ni contami nados por humo de tabaco, a fin de evitar el ambiente viciado y los olores desagradables.

El procedimiento, segn la citada norma UNE 100-01191, para establecer la cantidad mnima de aire de ventilacin, consiste en aceptar que una persona sana, con una dieta normal, genera una cantidad de dixido de carbono que viene dada por:

siendo:

qCO2 = la tasa de generacin de dixido de carbono en I/s por persona y

M = la actividad metablica expresada en met

En un estado estacionario del sistema de ventilacin, la relacin entre el caudal de aire exterior, las concentraciones de dixido de carbono y la tasa de generacin de dixido de carbono puede deducirse de un balance de masas de dixido de carbono y resulta ser:

siendo:

q =el caudal de aire exterior en I/s por persona

qCO2= la tasa de generacin de dixido de carbono en I/s por persona

[CO2]recinto = concentracin media de dixido de carbono en el local (ppm)

[CO2]exterior = concentracin de dixido de carbono en el exterior (ppm)

Esta relacin lleva a la conclusin de que el caudal de ventilacin necesario es de 7,2 I/s por persona (26 m3/ h por persona) que se redondea a 7,5 I/s por persona y que es la base de la recomendacin de la norma UNE para la ventilacin de locales de oficinas. Tambin son de este orden de magnitud los 30 m3/h/trabajador (8,3 I/s/trabajador) exigidos en el Anexo III del R.D.486/97.

Este mismo modelo puede ser utilizado para evaluar la ventilacin de un recinto, tomando la concentracin de dixido de carbono como indicador, en el supuesto de que la nica fuente de dixido de carbono sea la respiracin humana y que no exista ningn procedimiento de eliminacin del dixido de carbono aparte de la ventilacin y que, adems, se haya alcanzado un estado estacionario.

La expresin a aplicar ser:

Siendo M la actividad metablica media de los ocupantes Para aplicar correctamente esta ecuacin hay que tener en cuenta las limitaciones de uso debidas a las hiptesis de trabajo mencionadas. Los valores de concentracin deben medirse simultneamente y la actividad metablica media de los ocupantes puede estimarse con mtodos relativamente sencillos como los propuestos en la norma UNE EN 28996-95 (Ergonomia. Determinacin de la produccin de calor metablico) (ver NTP-323).

Utilizar la concentracin de dixido de carbono como indicador de ventilacin slo es vlido en aquellos espacios en que hay suficientes ocupantes para servir de fuente de dixido de carbono y que, adems, han permanecido en el mismo el tiempo necesario para que el nivel de dixido de carbono alcance el equilibrio. Adems otra limitacin del mtodo est asociada a la necesidad de estimar la produccin de dixido de carbono por las personas basada en su actividad fsica que puede ser una fuente importante de error compensable en parte si el nmero de ocupantes del local es elevado.

Mtodo de la cada de la concentracin

Consiste en medir, en el local sin ocupantes, la disminucin de la concentracin de dixido de carbono a lo largo de un periodo de tiempo. El clculo del caudal de ventilacin se realiza a partir del n- de renovaciones de aire del local aplicando la expresin:

Siendo:

Co = concentracin exterior de dixido de carbono (ppm)

Ct = concentracin final de dixido de carbono (ppm)

Ci = concentracin inicial de dixido de carbono (ppm)

t = tiempo (h)

A partir del N de renovaciones se calcular el caudal de ventilacin (QExterior)

QExterior (m3/h) = Volumen del recinto (m3) x N renovaciones (h-1)

Para la correcta utilizacin de todos estos mtodos es necesario tener muy en cuenta, no slo sus limitaciones y condiciones ptimas de aplicacin sino tambin, y en especial, la precisin de lectura del instrumento disponible ya que al depender el resultado de la diferencia de concentraciones de dixido de carbono si sta es poca un pequeo error en la medida se transformar en un error mucho mayor en el valor del caudal. En las figuras 1 y 2 se indica este efecto.

Figura 1. Error en la determinacin del caudal de aire exterior

Figura 2. Error en la determinacin del % de aire exterior

Se observa que para tener estimaciones del caudal de aire exterior con un error inferior al 5% es necesario que la diferencia de concentraciones sea superior a 500 ppm si se dispone de un instrumento de precisin 10 ppm, o bien disponer de una precisin de medida mejor que 2 ppm para poder estimar el caudal cuando la diferencia es de 100 ppm.

Otras informaciones sobre el sistema de ventilacin que pueden obtenerse a partir de la determinacin de dixido de carbono

Entre otros problemas que pueden existir en el suministro de aire de renovacin de un edificio y que es posible identificar a travs de mediciones de dixido de carbono destacan los que se comentan a continuacin.

Reentrada de aire

La concentracin de dixido de carbono en el aire de expulsin siempre es relativamente ms alta que en el aire exterior debido a la ocupacin del edificio y a las actividades desarrolladas (combustiones). Valores altos de la concentracin de dixido de carbono en los puntos de toma de aire, comparados con valores en otros puntos del exterior, podran indicar una reentrada del aire de expulsin en funcin de los vientos de la zona. Otra posible causa de concentracin alta de dixido de carbono en las tomas de aire es la existencia de focos contaminantes exteriores (extracciones provenientes de garajes, existencia de muelles de carga de camiones o trfico elevado).

Distribucin de la ventilacin

Cuando los niveles medios de concentracin de dixido de carbono medidos en los registros de retorno son superiores a los valores de dixido de carbono medidos en los conductos de retorno, generalmente quiere indicar que existe una fuga del aire de suministro hacia el pleno de retorno o tambin una entrada de aire exterior a este pleno. Por una parte, una fuga de aire exterior puede implicar la existencia de problemas de temperatura y/o de humedad. Por otra parte, una fuga de aire exterior o de suministro significa un coste energtico mayor, aunque se est proporcionando una ventilacin adecuada a los ocupantes.

Si la concentracin de dixido de carbono en la toma de aire exterior del sistema de ventilacin es significativamente inferior a la que se suministra por las rejillas de distribucin, habr que cuestionarse la eficiencia de las unidades de tratamiento de aire para tomar aire del exterior y distribuirlo a las reas ocupadas. Midiendo el caudal en la toma de aire exterior y comparndolo con la cantidad de aire que llega a los registros de suministro (por ej. utilizando el mtodo del porcentaje de aire exterior), se puede determinar si el valor de concentracin ms elevado en el suministro se corresponde con la mezcla diseada de aire de retorno y aire exterior.

Cortocircuitos

Si se encuentran zonas con elevadas concentraciones de dixido de carbono puede ser indicativo de ventilacin estancada o reducida. Para esta prueba hay que realizar mediciones en distintos puntos de la zona en estudio lo cual requiere la utilizacin de equipos de medicin con sensores de respuesta rpida. Como comprobacin adicional de posibles problemas en una zona, puede medirse la concentracin de dixido de carbono en cualquier registro de retorno de la zona y comprobar si el valor encontrado es inferior al valor medio de la misma. Si as fuera indicara que existe un cortocircuito entre el suministro y el retorno.

Vas de distribucin de contaminantes

El uso del dixido de carbono como gas trazador permite aplicar las tcnicas de clculo con la ventaja del menor coste de la instrumentacin. Si en una zona se introduce un gas trazador, su concentracin puede medirse en zonas adyacentes para determinar el transporte y distribucin del gas inyectado. Si se utiliza dixido de carbono esto slo es aplicable para zonas no ocupadas en las que se puede entonces introducir niveles elevados, aunque no txicos, de dixido de carbono para determinar flujos entre zonas. Es importante medir inicialmente los niveles bsicos de dixido de carbono antes de introducir este gas como trazador para conocer los niveles debidos a recientes ocupaciones o a combustiones.

Variacin de los niveles de dixido de carbono a lo largo de un periodo de tiempo

Si se dispone de un equipo que permita almacenar datos sobre niveles de dixido de carbono durante un periodo prolongado, por ejemplo un da, se podr estudiar la variacin de la concentracin de dixido de carbono y correlacionarla con la ocupacin y el sistema de ventilacin, o durante una semana, verificar si el funcionamiento del sistema de ventilacin es suficiente para eliminar los contaminantes generados por los ocupantes el da anterior. Si la renovacin del aire es suficiente, los niveles de dixido de carbono disminuirn hasta valores de aire exterior antes de que al da siguiente vuelva a ocuparse el edificio; en caso contrario los valores mnimos irn aumentando a lo largo de la semana debido a la acumulacin de contaminantes. Evidentemente, en un edificio slo se alcanzan los niveles de dixido de carbono del aire exterior si este est poco ocupado durante la noche.

Por otra parte, un registro de los niveles de dixido de carbono de 8 horas en periodos anteriores y posteriores a la realizacin de cambios en el sistema de ventilacin de un edificio, siempre que no varen ni los niveles de dixido de carbono en el exterior ni la ocupacin, permite comprobar si los cambios han sido adecuados.

La calidad de un aire interior

La medicin de los niveles de dixido de carbono en un edificio permite detectar la existencia de problemas de calidad de aire por carga qumica pero tambin puede utilizarse en estudios relacionados tanto con el suministro de aire como en su distribucin a las zonas ocupadas del edificio. Esto convierte su medicin en una herramienta muy til para el diagnstico, siempre que se tengan en cuenta las posibles causas de error y la exactitud de las medidas realizadas. En la Tabla 1 se resumen las aplicaciones ms significativas comentadas a lo largo de esta nota tcnica.

TABLA 1.
Aplicaciones del dixido de carbono en la evaluacin de la calidad de un aire interior

MEDIDA
TCNICA EMPLEADA
OBSERVACIONES
CO2 como contaminante
Medidas puntuales
Aire exterior: 300-400 ppm LEP: 5.000 ppm
CO2 como indicador de la contaminacin generada por los ocupantes
Medidas puntuales (final de maana/ tarde) o series de datos
UNE 100-011-91 recomienda una concentracin mxima de 1.000 ppm
CO2 como indicador bsico de un adecuada o inadecuada renovacin de aire
Medidas puntuales (final de maana/ tarde) o series de datos
Algunos organismos proponen la realizacin de mediciones para, por ej. a 800 ppm, aconsejar la revisin del funcionamiento del sistema de ventilacin.
de aire exterior/caudal de ventilacin
Medida de las concentraciones de CO2 en el aire de suministro, de retorno y exterior y del caudal total de aire
Determina la cantidad de aire exterior suministra do a una zona por la unidad de tratamiento de aire. No tiene en cuenta las infiltraciones. Se basa en la diferencia entre CO2 interior y exterior
Caudal de ventilacin
Utilizacin del CO2 como gas trazador. Almacenamiento de datos durante un periodo de tiempo, hasta alcanzar el equilibrio
Se requieren medidas muy exactas de CO2. Es conveniente una tasa de renovacin alta (para alcanzar las condiciones de equilibrio). El clculo viene afectado por la estimacin del CO2 genera do por los ocupantes
Caudal de ventilacin
Registro continuo de la disminucin de los niveles de CO2 utilizado como gas trazador
Es conveniente una tasa de renovacin baja si se utiliza el CO2 generado por los ocupantes. Es preferible introducir CO2 sin ocupacin
Reentrada de aire
Comprobacin puntual de los niveles de CO2 en el aire exterior y en el aire de entrada
Sencilla comprobacin de la reentrada de aire pro cedente de la expulsin
Distribucin de la ventilacin
Medida de CO2 en varios puntos del edificio
Comprobacin de la mezcla adecuada y de la distribucin del aire exterior a las zonas ocupadas
Cortocircuito
Medida de CO2 en varios puntos del edificio
Comprobacin rpida, habitacin por habitacin, de la velocidad y perfil de los chorros de aire de los difusores
Vas de distribucin de la contaminacin
Introduccin de CO2, diferencias entre medidas puntuales
Cualitativo. Generalmente slo es efectivo si el edificio no