Progettare il monitoraggio dell'IAQ negli edifici moderni con sensori avanzati integrati

Tra casa, ufficio e scuola, le persone trascorrono molto tempo in ambienti chiusi. Secondo l'agenzia statunitense per la protezione dell'ambiente (EPA), gli americani trascorrono circa il 90% del loro tempo in ambienti chiusi, dove la concentrazione di inquinanti è da due a cinque volte superiore a quella esterna. Secondo l'EPA, la maggior parte degli inquinanti che influiscono sulla qualità dell'aria interna (IAQ) proviene da fonti interne agli edifici, e solo alcuni possono provenire anche dall'esterno.

Poiché la qualità dell'aria è direttamente collegata alla salute e al benessere umano, il monitoraggio dell'IAQ è diventato sempre più importante e diffuso. I requisiti normativi stanno ulteriormente alimentando l'interesse verso queste soluzioni, grazie ai progressi nei sensori di qualità dell'aria.

Fonti di inquinamento interne ed esterne

Le fonti tipiche che contribuiscono all'inquinamento dell'aria interna sono il fumo di tabacco, gli elettrodomestici a combustibile, i caminetti a legna e a carbone, i materiali da costruzione e gli arredi, nonché i prodotti per la casa come detergenti, vernici e deodoranti per ambienti. Mentre il fumo e il fuoco possono rilasciare monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto (NOx) e particolato (PM) direttamente nell'ambiente interno, i prodotti per la casa possono introdurre molte sostanze chimiche diverse direttamente nell'aria interna, compresi i composti organici volatili (COV).

Anche l'umidità relativa e la temperatura sono considerati parametri importanti per l'IAQ, perché hanno un impatto sul comfort e sulla salute delle persone, nonché sui livelli di altri inquinanti presenti nell'aria.

Dall'esterno, gli inquinanti atmosferici come il fumo dei camini possono rientrare nelle abitazioni attraverso le finestre, i sistemi di ventilazione e le fessure delle strutture, mentre il radon proveniente dalle fondamenta degli edifici può anch'esso penetrare attraverso crepe o interstizi. Anche le sostanze chimiche volatili presenti nelle riserve idriche possono inquinare l'aria interna quando gli occupanti degli edifici utilizzano l'acqua per fare la doccia, cucinare e pulire. Inoltre, quando le persone entrano negli edifici, portano inavvertitamente terra e polvere con le scarpe e i vestiti, insieme agli inquinanti che aderiscono a tali particelle.

Inoltre, nell'aria interna sono presenti contaminanti biologici come virus e batteri, forfora di animali, polvere domestica, acari e pollini prodotti dagli esseri umani, dagli animali e dalle piante.

Rischi per la salute derivanti dall'inquinamento atmosferico

Una buona qualità dell'aria è fondamentale per la salute umana. La scarsa qualità dell'aria può causare problemi che vanno dalle malattie respiratorie all'affaticamento e alle allergie, compresa l'irritazione di occhi, naso e gola. Altri gravi problemi di salute associati agli inquinanti dell'aria interna sono le malattie cardiache e alcune forme di cancro.

Il legame tra i comuni inquinanti degli ambienti interni (es. radon, CO e batterio della legionella) e i problemi di salute è ben noto. Ad esempio, il radon, noto agente cancerogeno per l'uomo, è la principale causa di cancro ai polmoni nei non fumatori. Anche l'esposizione a breve termine a livelli elevati di CO in ambienti chiusi può dimostrarsi letale. Inoltre, episodi di legionellosi, una forma di polmonite causata dall'esposizione al batterio della legionella, sono stati associati a edifici con impianti di condizionamento o riscaldamento, vasche idromassaggio e tubature in cattivo stato.

Standard di edilizia salubre e conformità

Nel corso degli anni sono stati stabiliti diversi standard per guidare il monitoraggio e il mantenimento della qualità dell'aria interna. È importante che i proprietari di edifici residenziali e commerciali rispettino il più possibile queste norme per garantire il benessere degli occupanti.

Tra le agenzie che forniscono tali linee guida vi sono l'EPA statunitense, l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA), l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning (ASHRAE) e il WELL Building Institute. Tra gli standard edilizi più noti che richiedono sistemi di monitoraggio e mantenimento di una buona qualità dell'aria interna vi sono il California Title 24 (CA 24), sviluppato dalla California Energy Commission, e il sistema di valutazione Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) dell'U.S. Global Building Council (USGBC). Lo standard RESET Air, in particolare, è un punto di riferimento riconosciuto a livello mondiale per il monitoraggio e la certificazione dell'IAQ, incentrato sulla misurazione in tempo reale di importanti parametri della qualità dell'aria interna.

Sensori all-in-one per il monitoraggio accurato dell'inquinamento atmosferico

Per i produttori di sensori come Sensirion, la conformità agli standard edilizi pertinenti è obbligatoria per soddisfare le aspettative del mercato. Di conseguenza, hanno progettato e realizzato prodotti compatibili con RESET, WELL, CA24 e LEED. Inoltre, a differenza dei prodotti tradizionali che richiedono più sensori per il monitoraggio dei parametri della qualità dell'aria interna, Sensirion ha semplificato il compito sviluppando una soluzione integrata in un modulo compatto e facile da implementare, la piattaforma di sensori SEN6x (Figura 1).

Utilizzando algoritmi integrati, è in grado di misurare fino a nove parametri ambientali: PM1, PM2.5, PM4, PM10, umidità relativa, temperatura, indice COV, NOx, anidride carbonica (CO₂) e/o formaldeide (HCHO).

Figura 1: La piattaforma di sensori all-in-one SEN6x è in grado di misurare fino a nove parametri ambientali. (Immagine per gentile concessione di Sensirion AG)

Il componente chiave del modulo SEN6x è l'unità di rilevamento del particolato (PM) miniaturizzata con sistemi microelettromeccanici (MEMS), nota come SPS6x. La disposizione geometrica brevettata, la tecnologia MEMS avanzata e le tecniche di confezionamento consentono di integrare sorgente luminosa, rilevatore, elaborazione dei segnali e algoritmo in una soluzione economica e compatta per la misurazione di PM1, PM2.5, PM4 e PM10. Gli algoritmi integrati analizzano la luce diffusa per determinare la distribuzione dimensionale e la concentrazione di massa delle particelle. L'innovativo rilevamento del particolato in formato chip-scale, unito al flusso di guaina brevettato, consente ai sensori SEN6x di offrire protezione dalla polvere e longevità senza pari, con un bassissimo consumo energetico.

Il modello principale disponibile in questa serie è SEN66, in grado di misurare PM, umidità relativa, temperatura, VOC, NOx e CO₂. Per consentire agli utenti di ottenere una lettura della temperatura più rapida e affidabile dal modulo con sensori integrati, SEN66 implementa il motore proprietario STAR (Sensirion Temperature Acceleration Routine). Questo motore stima dinamicamente il valore della temperatura prima che il prodotto finale raggiunga uno stato termicamente stabile.

Per lo sviluppo di applicazioni, Sensirion offre il kit di valutazione SEK-SEN66 (Figura 2). Viene fornito con il nodo a sensori integrati SEN66 per la misurazione di molteplici inquinanti, un cavo adattatore e un gruppo di ponticelli per la prototipazione.

Figura 2: Il kit di valutazione SEK-SEN66 comprende il modulo con sensori integrati, un cavo adattatore e un gruppo di ponticelli per i collegamenti e la prototipazione. (Immagine per gentile concessione di Sensirion AG)

Per poter utilizzare l'intuitivo software ControlCenter di Sensirion, è necessario acquistare separatamente lo strumento SEK-SensorBridge (Figura 3), che fornisce l'interfaccia tra il sensore e un computer host.

Figura 3: SEK-SensorBridge è lo strumento di interfaccia universale di Sensirion per la valutazione dei sensori dell'azienda. (Immagine per gentile concessione di Sensirion AG)

La guida tecnica SEK-SensorBridge spiega il collegamento fisico della scheda di valutazione del sensore al SensorBridge tramite il cavo adattatore e il collegamento a un PC tramite il cavo USB.

Sensori per l'IAQ discreti

Sensirion offre anche diversi sensori discreti di CO₂, umidità relativa e temperatura. Per il monitoraggio della CO₂ sono disponibili due modelli di rilievo, SCD43 e STCC4 (Figura 4). Mentre SCD43 è un sensore di CO₂ fotoacustico a infrarosso non dispersivo (NDIR), STCC4 implementa tecniche di rilevamento della conducibilità termica. Definito sensore di CO₂ di prossima generazione, STCC4 presenta l'ingombro più compatto offerto dall'azienda (4 x 3 x 1,2 mm) per consentirne l'integrazione in dispositivi elettronici compatti.

Figura 4: STCC4 offre uno dei fattori di forma più piccoli per i dispositivi elettronici compatti. (Immagine per gentile concessione di Sensirion AG)

Per le applicazioni incentrate sui parametri di umidità relativa e temperatura dell'aria interna, la serie discreta SHT4x offre alta precisione con un consumo energetico ridotto. Progettati su misura per i dispositivi mobili a batteria, questi dispositivi sono anche conformi agli standard RESET e WELL.

Conclusione

Per semplificare la valutazione e l'applicazione dei dispositivi di monitoraggio della qualità dell'aria interna, l'azienda esperta di sensori Sensirion ha sviluppato soluzioni all-in-one che integrano molteplici sensori con algoritmi e software. Queste soluzioni consentono la misurazione accurata di un'ampia gamma di parametri della qualità dell'aria utilizzando un unico modulo compatto. Oltre a ridurre i costi e il time-to-market, i moduli con sensori integrati consumano anche meno energia. Al contempo, Sensirion offre sensori discreti che si distinguono per le dimensioni compatte, l'alta precisione, la stabilità a lungo termine e la facilità di integrazione.