Ingeniería de control de la calidad del aire en edificios modernos con sensores avanzados integrados

Entre el hogar, la oficina y la escuela, la gente pasa mucho tiempo dentro de casa. Según la Agencia de Protección Medioambiental de Estados Unidos (EPA), los estadounidenses pasan aproximadamente el 90% de su tiempo en interiores, donde la concentración de contaminantes es de dos a cinco veces mayor que en el exterior. Según la EPA, la mayoría de los contaminantes que afectan a la calidad del aire interior (CAI) proceden de fuentes del interior de esos edificios, aunque algunos también pueden originarse en el exterior.

Dado que la calidad del aire está directamente relacionada con la salud y el bienestar humanos, la supervisión de la calidad del aire interior es cada vez más importante y habitual. Los requisitos reglamentarios están impulsando aún más el interés por estas soluciones, facilitadas por los avances en los sensores de calidad del aire.

Fuentes de contaminación interiores y exteriores

Entre las fuentes típicas que contribuyen a la contaminación del aire interior se encuentran el humo del tabaco, los aparatos que queman combustible, las chimeneas de leña y carbón, los materiales de construcción y el mobiliario, así como productos domésticos como productos de limpieza, pinturas y ambientadores. Mientras que el humo y el fuego pueden liberar monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM) directamente en el ambiente interior, los productos domésticos pueden introducir muchas sustancias químicas diferentes directamente en el aire interior, incluidos los compuestos orgánicos volátiles (COV).

La humedad relativa (HR) y la temperatura también se consideran parámetros importantes de la IAQ porque influyen en la comodidad de las personas, su salud y los niveles de otros contaminantes en el aire.

Desde el exterior, los contaminantes del aire como el humo de las chimeneas pueden volver a entrar en las casas a través de las ventanas, los sistemas de ventilación y las grietas de las estructuras, mientras que el radón procedente de los cimientos de los edificios también puede entrar a través de grietas o huecos. Las sustancias químicas volátiles de los suministros de agua también pueden contaminar el aire interior cuando los ocupantes del edificio utilizan el agua para ducharse, cocinar y limpiar. Además, cuando las personas entran en los edificios, sin darse cuenta traen tierra y polvo en sus zapatos y ropa, junto con contaminantes que se adhieren a esas partículas.

Además, hay contaminantes biológicos en el aire interior como virus y bacterias, caspa de animales, polvo doméstico, ácaros y polen que son creados por humanos, animales y plantas.

Peligros para la salud derivados de la contaminación atmosférica

Una buena calidad del aire es crucial para la salud humana. La mala calidad del aire puede provocar problemas que van desde las enfermedades respiratorias hasta la fatiga y las alergias, pasando por la irritación de ojos, nariz y garganta. Otros problemas de salud graves asociados a los contaminantes del aire interior son las enfermedades cardiacas y el cáncer.

La relación entre los contaminantes comunes de interiores, como el radón, el CO y la bacteria legionela y los problemas de salud adversos está bien establecida. Por ejemplo, el radón, un conocido carcinógeno humano, es la principal causa de cáncer de pulmón en los no fumadores. La exposición a corto plazo a niveles elevados de CO en interiores también puede ser letal. Además, los episodios de legionelosis, una forma de neumonía causada por la exposición a la bacteria Legionella, se han asociado a edificios con sistemas de aire acondicionado o calefacción, jacuzzis y fontanería en mal estado.

Normas y cumplimiento de los edificios saludables

A lo largo de los años se han establecido varias normas para orientar la vigilancia y el mantenimiento de la calidad del aire interior. Es importante que los propietarios de edificios residenciales y comerciales se adhieran a ellas en la medida de lo posible para garantizar el bienestar de los ocupantes.

Entre los organismos que proporcionan este tipo de directrices se encuentran la EPA de EE. UU., la Organización Mundial de la Salud (OMS), la Administración de Seguridad y Salud en el Trabajo (OSHA), la Sociedad Americana de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE) y el Instituto de Construcción WELL. Entre las normas de construcción más conocidas que exigen sistemas para controlar y mantener una buena IAQ, se encuentran el Título 24 de California (CA 24), desarrollado por la Comisión de Energía de California, y el sistema de clasificación Liderazgo en Energía y Diseño Medioambiental (LEED) del Consejo Mundial de la Construcción de EE. UU. (USGBC). La norma RESET Air, en particular, es un punto de referencia mundialmente reconocido para la supervisión y certificación de la calidad del aire interior, que se centra en la medición basada en datos en tiempo real de importantes parámetros de la calidad del aire interior.

Sensores todo en uno que controlan con precisión la contaminación atmosférica

Para los fabricantes de sensores como Sensirion, cumplir las normas de construcción pertinentes es obligatorio para satisfacer las expectativas del mercado. Como resultado, se han diseñado y construido productos compatibles con RESET, WELL, CA24 y LEED. Además, a diferencia de los productos tradicionales que requieren múltiples sensores para monitorizar los parámetros de IAQ, Sensirion ha simplificado la tarea desarrollando una solución integrada en un módulo compacto y fácil de implementar, la plataforma de sensores SEN6x (Figura 1).

Al usar algoritmos integrados, puede medir hasta nueve parámetros medioambientales, incluyendo PM1, PM2,5, PM4, PM10, HR, temperatura, índice de VOC, NOx, dióxido de carbono (CO₂) y/o formaldehído (HCHO).

Figura 1: La plataforma de sensores SEN6x todo en uno puede medir hasta nueve parámetros medioambientales. (Fuente de la imagen: Sensirion AG)

El componente clave del módulo SEN6x es su unidad de detección PM miniaturizada de sistemas microelectromecánicos (MEMS), conocida como SPS6x. Su disposición geométrica patentada, sus MEMS avanzados y sus técnicas de envasado permiten integrar la fuente de luz, el detector, el procesamiento de señales y el algoritmo en una solución rentable y compacta para medir PM1, PM2,5, PM4 y PM10. Los algoritmos integrados analizan la luz difusa para determinar la distribución del tamaño de las partículas y su concentración en masa. La innovadora detección de PM a escala de chip, combinada con el flujo de vaina patentado, permite a los sensores SEN6x ofrecer una protección contra el polvo y una longevidad sin precedentes, a la vez que consumen muy poca energía.

El principal modelo disponible en esta serie es el SEN66, que puede medir PM, HR, temperatura, COV, NOx y CO₂. Para que los usuarios puedan obtener una lectura de la temperatura más rápida y fiable del módulo sensor integrado, la SEN66 implementa el motor patentado Sensirion Temperature Acceleration Routine (STAR). Este motor estima dinámicamente el valor de la temperatura antes de que el producto final alcance un estado térmicamente estable.

Para el desarrollo de aplicaciones, Sensirion ofrece el kit de evaluación SEK-SEN66 (figura 2). Viene con el nodo sensor integrado SEN66 para medir múltiples contaminantes, un cable adaptador y un juego de cables puente para la creación de prototipos.

Figura 2: El kit de evaluación SEK-SEN66 incluye el módulo sensor integrado, un cable adaptador y un juego de cables puente para conexiones y creación de prototipos. (Fuente de la imagen: Sensirion AG)

Para poder utilizar el software de fácil manejo ControlCenter de Sensirion, el usuario debe adquirir por separado el SEK-SensorBridge (figura 3), que proporciona la interfaz entre el sensor y una computadora central.

Figura 3: El SEK-SensorBridge es la herramienta de interfaz universal de Sensirion para evaluar sus sensores. (Fuente de la imagen: Sensirion AG)

La guía técnica del SEK-SensorBridge explica la conexión física de la tarjeta de evaluación del sensor al SensorBridge mediante el cable adaptador, y la conexión a un PC a través del cable USB.

Sensores discretos IAQ

Sensirion también ofrece varios sensores discretos de CO₂, HR y temperatura. Para la monitorización del CO₂, existen dos modelos destacados, el SCD43 y el STCC4 (Figura 4). Mientras que el SCD43 es un sensor fotoacústico de infrarrojos no dispersivo (NDIR) de CO₂, el STCC4 aplica técnicas de detección de la conductividad térmica. Al estar etiquetado como un sensor de CO₂ de nueva generación, el STCC4 tiene la huella más pequeña del proveedor (4 mm x 3 mm x 1.2 mm) para su integración en dispositivos electrónicos compactos.

Figura 4: El STCC4 ofrece uno de los factores de forma más pequeños para dispositivos electrónicos compactos. (Fuente de la imagen: Sensirion AG)

Para aplicaciones centradas en parámetros de HR y temperatura en interiores, la discreta serie SHT4x ofrece una gran precisión con un consumo reducido. Al estar adaptados a los dispositivos móviles que funcionan con pilas, también cumplen las normas RESET y WELL.

Conclusión

Para simplificar la evaluación y aplicación de los monitores de IAQ, el experto en sensores Sensirion ha desarrollado soluciones "todo en uno" que integran varios sensores con algoritmos y software. Estas soluciones permiten medir con precisión una amplia gama de parámetros de calidad del aire utilizando un único módulo compacto. Además de recortar costos y reducir el tiempo de comercialización, los módulos de sensores integrados también consumen menos energía. Simultáneamente, Sensirion ofrece sensores discretos que destacan por su pequeño tamaño, alta precisión, estabilidad a largo plazo y facilidad de integración.