Uso de sensores de humedad y temperatura para mejorar la sostenibilidad en invernaderos y sistemas de climatización

El control de la humedad y la temperatura es esencial en diversos entornos como invernaderos, centros de datos, oficinas e instalaciones industriales. En cada caso, la humedad y la temperatura excesivas o insuficientes tienen consecuencias negativas, y la eficacia y la sostenibilidad de las operaciones pueden mejorarse controlando adecuadamente la humedad y la temperatura.

Por supuesto, no se puede controlar lo que no se mide. Este artículo comienza con una revisión de las tres formas de medir la humedad y analiza la utilidad de cada tipo de medición; examina la relación entre humedad y temperatura y considera los factores relacionados con los niveles óptimos de humedad y temperatura para centros de datos, edificios comerciales e invernaderos.

Examina los protocolos de comunicación habituales para la detección de la humedad y la temperatura y, a continuación, presenta sensores de humedad y temperatura junto con un controlador de Schneider Electric, incluido el programa de etiquetado Green Premium de la Empresa, diseñado para optimizar la sostenibilidad. Estos sensores y controles pueden utilizarse junto con los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) para controlar la humedad y la temperatura a niveles óptimos para entornos específicos.

Humedad, no todo es relativo

La definición básica de humedad es la concentración de vapor de agua en el aire. Existen tres formas habituales de medir la humedad: absoluta, específica y relativa:

• La humedad absoluta se mide como la masa de vapor de agua por masa de aire seco (normalmente en gramos por kilogramo) o la masa de vapor de agua por volumen de aire húmedo (en gramos por metro cúbico).
• La humedad específica es la relación entre la masa de vapor de agua y la masa total de la parcela de aire húmedo.
• La humedad relativa (HR) es la medida más utilizada para los controles ambientales e indica el nivel de humedad absoluta en relación con la humedad máxima posible a la misma temperatura.

RH se utiliza para los controles ambientales. Depende de la temperatura y la presión del aire. La cantidad de vapor de agua necesaria para alcanzar la saturación (100% HR) aumenta a medida que sube la temperatura: la misma cantidad de vapor de agua en aire más frío da lugar a una humedad relativa más alta. Por ejemplo, un metro cúbico de aire a nivel del mar y +8 °C puede contener unos 8 g de agua. Esa misma masa de aire a +30 °C puede contener unos 28 g de vapor de agua.

El punto de rocío es un parámetro importante a la hora de considerar los controles de humedad. Es la temperatura a la que debe enfriarse el aire (a una presión determinada) para alcanzar el 100% de humedad relativa. Si el aire se enfría más, el vapor de agua sale en forma líquida.

¿Cuál es la cantidad adecuada de humedad?

La cantidad adecuada de humedad depende de las necesidades de la actividad. En los centros de datos, es importante optimizar el entorno para que la refrigeración de los equipos sea lo más eficaz posible y su funcionamiento fiable. El confort humano es clave en oficinas y edificios comerciales, y en los invernaderos, la humedad debe ser óptima para permitir la máxima producción. Para determinar el nivel adecuado de humedad hay que recurrir a la fisiología y la psicometría. La psicometría, a veces llamada higrometría, es la especialidad de la ingeniería que se ocupa de las propiedades físicas y termodinámicas de las mezclas de gas y vapor, como el aire húmedo.

Personas, plantas y centros de datos

La gente es sencilla. Según la Administración de Seguridad y Salud en el Trabajo (OSHA), la temperatura en las oficinas debe ser de +20 °C a +24.4 °C (+68 °F a +76 °F) con una HR de entre el 20% y el 60%. En las residencias, la temperatura debe ajustarse al confort de los ocupantes, con un rango de HR recomendado del 30% al 50%.

Las plantas son más complicadas. La temperatura ideal de un invernadero oscila entre +18 °C y +23.9 °C (+64 °F y +75 °F), dependiendo de lo que se cultive. La HR óptima para las plantas es del 65% al 75% por la noche y del 80% durante el día. Los niveles de humedad fuera de esas recomendaciones pueden interferir con los procesos biológicos de las plantas, lo que se traduce en un crecimiento más lento y/o en cosechas de menor calidad (Figura 2).

Figura 1: Para que el crecimiento y la calidad de las plantas sean óptimos, la HR de los invernaderos debe ser diferente durante el día y la noche. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

La entalpía es una consideración psicométrica clave en la refrigeración de los centros de datos. Mide el contenido total de calor en una muestra de aire y se utiliza para determinar la cantidad de aire fresco exterior que puede añadirse al aire recirculado para minimizar el consumo de energía y los costes de refrigeración. La entalpía tiene en cuenta tanto el aire seco como la humedad de la muestra de aire y se aplica mediante curvas psicométricas que identifican cuándo puede añadirse aire exterior al sistema para mejorar la eficiencia de la refrigeración (Figura 2).

Figura 2: Las curvas psicométricas identifican la cantidad de aire exterior que puede añadirse al sistema HVAC de un centro de datos para mejorar la eficiencia de la refrigeración. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Aunque la refrigeración es el factor más importante para controlar la humedad en los centros de datos, no es el único. Si se alcanza el punto de rocío, puede producirse condensación, lo que reduce la fiabilidad del equipo. Una humedad baja puede provocar electricidad estática y dañar los componentes sensibles. Las fluctuaciones excesivas de humedad pueden provocar la dilatación y contracción de las placas de circuitos y dañar los circuitos o componentes. Además, algunos equipos, como las unidades de cinta y los soportes, pueden ser sensibles a cambios de humedad de tan solo un 5% por hora.

Comunicar la humedad y la temperatura

Los sensores de humedad y temperatura se comunican con el controlador del sistema de climatización utilizando varias tecnologías comunes. En función de la arquitectura del sistema, las opciones más habituales son las siguientes:

• La humedad y la temperatura pueden comunicarse utilizando un bucle de corriente analógica de 4 a 20 miliamperios (mA), un estándar de comunicaciones de sensores sólido y bien establecido. La corriente de señalización no se ve afectada por las caídas de tensión en el bucle de comunicaciones si la tensión suministrada es superior a la suma de las caídas de tensión alrededor del bucle a la corriente de señalización máxima de 20 mA.
• La temperatura puede medirse y comunicarse utilizando termistores de coeficiente negativo de temperatura (NTC ) cuya resistencia disminuye a medida que aumenta su temperatura. La resistencia puede proporcionar mediciones analógicas precisas de la temperatura con una calibración adecuada a una temperatura establecida, normalmente +25 °C.
• La humedad y la temperatura pueden comunicarse digitalmente mediante comunicaciones Modbus RS485 semidúplex de unidad de telemetría remota (RTU). Este protocolo comunica datos en serie a través de un enlace de dos hilos como las conexiones utilizadas para un bucle de corriente, lo que facilita su implementación.

Detección del entorno

Schneider Electric ofrece a los diseñadores de instalaciones una selección de sensores de humedad y temperatura con varios protocolos de comunicación para adaptarse a arquitecturas de sistemas específicas. Estos sensores están diseñados para ser utilizados en entornos exigentes. Tienen un grado de protección de ingreso (IP) de IP65 y son herméticas al polvo, por lo que no permiten la entrada de polvo, y están protegidas contra chorros de agua desde cualquier dirección. Están diseñados para funcionar entre -40 °F y +140 °F (-40 °C y +60 °C) y hasta el 100% de humedad relativa (Figura 3).

Figura 3: El sensor de humedad y temperatura TM1SHTCC4 tiene un grado de protección IP65. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Estos sensores incluyen:

• El sensor de humedad TM1SHC4 con una salida de bucle de corriente de 4 a 20 mA y una precisión de ±3% HR.
• El TM1SHTCN4 de humedad y temperatura con un bucle de corriente de 4 a 20 mA para el sensor de humedad con una precisión de ±3% HR y un sensor de temperatura NTC (10 kiloohmios a +25 °C) que puede medir de -40 °F a +140 °F (-40 °C a +60 °C) con una precisión de ±1 °C.
• El sensor de humedad y temperatura TM1SHTCC4 con un bucle de corriente de 4 a 20 mA para el sensor de humedad con una precisión de ±3% HR y un bucle de corriente de 4 a 20 mA para el sensor de temperatura con un rango de medición de -40 °F a +140 °F (-40 °C a +60 °C) y una precisión de ±1 °C.
• El sensor de humedad y temperatura TM1SHTM4 con una salida RS485 Modbus RTU y una medición de humedad de ±3% HR y un rango de medición de temperatura de -40 °F a +140 °F (-40 °C a +60 °C) y una precisión de ±1 °C.

Controlar el entorno

Estos sensores de humedad y temperatura están diseñados para ser utilizados con los Controladores lógicos Modicon M171 y M172 de Schneider Electric y módulos de E/S como el TM171EP27R diseñado para entradas analógicas, incluidos bucles de corriente y termistores NTC. El TM171EP27R permite supervisar y controlar grandes áreas y cuenta con un total de 27 entradas y salidas, entre las que se incluyen:

• Salidas discretas para señales
  • 3 salidas del relé unipolar y unidireccional (SPST) con el mismo común
  • 2 salidas del relé SPST con el mismo común
  • 2 salidas del relé unipolar y unidireccional (SPDT) con común independiente
• Salida discreta para corrientes elevadas
  • 8 amperios (A) relé SPDT (Polo único, posición doble) SPDT (Polo simple, doble vía)
  • Relé SPST NO de 5 A (unipolar y unidireccional, normalmente abierto)
• Entradas analógicas
  • 2 entrada analógica NTC
  • 4 configurables
• Salidas analógicas
  • 3 voltaje o corriente de 0 a 10 V o de 4 a 20 mA
  • 2 colectores abiertos o corriente 1 kHz, 12 V, 35 mA o 4 a 20 mA

El TM171EP27R presenta un grado de protección IP20, un rango de temperatura de funcionamiento de -20 °C a 55 °C y está diseñado para su uso en una amplia gama de aplicaciones de control medioambiental, entre las que se incluyen (Figura 4):

• Unidad de tratamiento de aire
• Refrigerador por aire/agua
• Cremallera del compresor
• Bomba de calor
• Unidad de recuperación de calor
• Aire acondicionado de precisión
• Unidad de techo
• Unidad de ventilación

Figura 4: El TM171EP27R tiene 27 entradas y salidas y un grado de protección IP20. (Fuente de la imagen: Schneider Electric)

Prima Verde para mejorar la sostenibilidad

Los controladores HVAC de Modicon, como el TM171EP27R mencionado anteriormente, cumplen los requisitos de la etiqueta Green Premium de Schneider Electric. Las soluciones Green Premium utilizan una combinación de Internet de las cosas (IoT) y herramientas digitales para utilizar la energía y otros recursos naturales de forma eficiente. Permiten a los ingenieros de instalaciones reducir el impacto ambiental y minimizar la huella de CO₂. Características principales:

Rendimiento de los recursos: los dispositivos con la etiqueta Green Premium mejoran la eficiencia de los recursos a lo largo de su ciclo de vida. La eficiencia de los recursos incluye el uso eficiente de la energía y la minimización de las emisiones de CO₂, agua, aire y otros recursos naturales. Para lograr un resultado óptimo, Schneider Electric utiliza evaluaciones del ciclo de vida y proporciona a los usuarios información exhaustiva y verificada sobre la huella medioambiental de cada producto.

Rendimiento circular - Schneider Electric ayuda a sus clientes a optimizar el costo total de propiedad de sus activos. La empresa ofrece servicios habilitados para IoT y oportunidades de actualización, reparación, modernización y refabricación. Green Premium ofrece "perfiles de circularidad" disponibles digitalmente, que proporcionan a los usuarios información sobre la circularidad del producto, instrucciones sobre el final de la vida útil y servicios de recuperación disponibles.

Resumen

El control de la humedad y la temperatura es esencial en diversos entornos agrícolas, comerciales, centros de datos y otros. La HR óptima se basa en distintos factores según la instalación de que se trate. La humedad y la temperatura deben controlarse en tiempo real para garantizar unas condiciones óptimas y maximizar la sostenibilidad operativa.