Sensores para mejorar el ICA
Mejora de la calidad del aire en interiores: el papel de los nodos del sensor en el monitoreo y mejora de la salud y la productividad
Alex Pluemer para Mouser Electronics
Los índices de calidad del aire (ICA) se han convertido en una característica habitual de los reportes del clima en todo el mundo a medida que el cambio climático sigue calentando el planeta y provoca incendios forestales en climas más cálidos y secos. Los ICA brindan información sobre la cantidad de material particulado (como cenizas y gases de escape de vehículos) así como sobre otros contaminantes en el aire, alertando a las personas cuando esos contaminantes alcanzan niveles de concentración peligrosos para la exposición humana. Los ICA son comúnmente utilizados para describir la calidad del aire en exteriores pero, ¿qué ocurre con la calidad del aire en interiores?
Las condiciones poco saludables de la calidad del aire en exteriores pueden con frecuencia ser detectadas sin tecnología (por ejemplo, el humo en el aire o un fuerte olor), pero una deficiente calidad del aire en interiores no se detecta de forma tan simple. Si pasa la mayor parte de su día dentro de casa, una escuela o un edificio de oficinas, es más probable que la calidad del aire en interiores afecte más su salud que el aire en el exterior.
Aunque el aire contaminado del exterior puede afectar la calidad del aire en interiores, diversos contaminantes comunes en el aire de interiores pueden ser detectados y cuantificados solo a través de tecnología de monitoreo de la calidad del aire. Contaminantes como monóxido de carbono (CO), el humo de segunda mano y el moho o las bacterias en suspensión pueden detectarse en el aire de interiores y tener graves repercusiones para la salud a través de la exposición repetida. La salud y seguridad de los empleados y estudiantes son responsabilidad principal de cualquier empresa o institución, y el monitoreo de la calidad del aire en interiores es parte esencial para mantener un entorno interior seguro y saludable. Esto también puede llevar a una mayor productividad y un mejor ambiente laboral.
Nodos de sensores como SEN5x de Sensirion pueden ayudar a monitorear la calidad del aire interior y mejorar los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) y purificación del aire existentes al medir los contaminantes en el aire en tiempo real, proporcionando a los usuarios mediciones precisas y confiables sin requerir una gran reestructuración. En este artículo, examinaremos algunos de los contaminantes interiores más comunes y cómo dispositivos como el SEN5x pueden ayudar a los usuarios a mantener sus instalaciones saludables y productivas.
Medición de la calidad del aire
Como se señaló, los contaminantes en el aire más comunes son las partículas: partículas microscópicas de materia sólida, que a menudo resultan de la combustión, y que a menudo inhalamos sin ser conscientes. Cuando el aire exterior está altamente saturado de partículas, se puede aconsejar a las personas que permanezcan en interiores con las ventanas cerradas o que usen mascarillas protectoras si deben estar al aire libre durante períodos prolongados. Muchas viviendas, escuelas y edificios de oficinas implementan sistemas de filtración de aire para eliminar las partículas del aire. Sin embargo, pequeñas cantidades de partículas están siempre presentes (fuera de un entorno de sala blanca).
La calidad del aire en interiores a menudo se ve comprometida por otros contaminantes en el aire, como gases, que pueden causar problemas de salud graves si no se monitoriean adecuadamente. Niveles altos de monóxido de carbono (CO) en el aire pueden provocar enfermedades graves, pérdida de conciencia e incluso la muerte. Las enfermedades y muertes relacionadas con el CO suelen estar asociadas con el uso de equipos de calefacción u otros electrodomésticos que queman combustibles fósiles; la combustión incompleta crea un gas invisible e inodoro que puede acumularse en edificios y estructuras sin una ventilación adecuada.
También se deben monitorear los niveles de dióxido de carbono (CO2) en el aire. Aunque los efectos adversos de la exposición al CO2 generalmente no son tan graves como los asociados con el CO, pueden tener repercusiones permanentes. Las personas en entornos ricos en CO2 a menudo se sienten más somnolientas de lo normal y pueden experimentar dolores de cabeza y náuseas. Actualmente, 38 estados de EE. UU. y el Distrito de Columbia exigen detectores de CO/CO2 en todas las residencias privadas a través de regulaciones o legislación, pero solo cinco exigen estos detectores en edificios escolares. La intoxicación por CO generalmente ocurre en entornos pequeños y cerrados, por lo que los monitores de CO a menudo no son exigidos en edificios de oficinas más grandes o instalaciones industriales. Medir los niveles de CO2 es una forma en que los administradores de instalaciones evalúan el rendimiento de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), por lo que la detección y el monitoreo efectivos de CO2 pueden tener un gran impacto en la calidad del aire en interiores.
El moho y las esporas de moho son otros contaminantes comunes en el aire, que generalmente son generadas por la humedad, y no siempre son fáciles de detectar. Los propietarios de viviendas y los administradores de edificios pueden tomar medidas preventivas contra el crecimiento de moho en espacios de difícil acceso al monitorear la humedad y los niveles de condensación en interiores. El exceso de humedad también puede favorecer el cultivo de ciertas bacterias en el aire que pueden ser perjudiciales para los seres humanos, una razón más para monitorear de cerca los niveles de humedad en interiores.
Los compuestos orgánicos volátiles (COV) están presentes en el aire de exterior prácticamente en cualquier lugar donde las personas vivan o trabajen, pero generalmente están más concentrados en interiores. Los COV son gases emitidos por productos químicos u otras sustancias líquidas o sólidas. Están presentes en una variedad de productos, desde suministros de limpieza y pintura hasta equipos de oficina y materiales para muebles. Reducir el riesgo de exposición a los COV suele ser cuestión de almacenar adecuadamente materiales peligrosos y mejorar el flujo de aire y la ventilación en general. Sin embargo, incluso concentraciones bajas de ciertos COV (como el formaldehído) en el aire pueden ser perjudiciales para la salud.
Carcinógenos como el radón y el asbesto pueden ser detectados en estructuras construidas con materiales que han sido prohibidos de forma generalizada por razones de seguridad. Aunque los efectos adversos para la salud debido a la exposición prolongada a estos materiales podrían no ser tan inmediatos como los de la exposición al monóxido de carbono, pueden ser igual de graves e incluso mortales. Tanto la exposición al radón como al asbesto han sido determinadas como factores que aumentan las probabilidades de desarrollar cáncer de pulmón.
Tecnología de monitoreo de la calidad del aire en interiores
Los monitores de calidad del aire no son universales; están disponibles en diferentes formatos y con diversas características y funcionalidades. Dependiendo de la ubicación de la instalación y del entorno, puede ser útil tener un monitor de CA más pequeño. Sin embargo, en el proceso, es posible que esté sacrificando funcionalidad. Además, la mayoría de los sensores de CA solo pueden detectar algunos contaminantes en el aire, lo que requiere una combinación de sensores para detectar todo tipo de sustancias.
Los nodos de sensores ambientales SEN5x de Sensirion pueden monitorear partículas suspendidas en el aire, compuestos orgánicos volátiles (VOC), óxidos de nitrógeno así como la temperatura y humedad relativas. El SEN5x mide las partículas en el aire emitiendo un láser que es reflejado por las partículas de vuelta hacia un fotodiodo en el dispositivo. A mayor luz reflejada hacia el fotodiodo, mayor es la partícula. Este método proporciona lecturas mucho más precisas que los dispositivos que utilizan un elemento oscilante cónico, que solo puede percibir partículas de cierto tamaño. La fotodetección también proporciona mediciones más precisas, por lo general en cuestión de segundos después de iniciar un ciclo de muestreo.
Al muestrear los contaminantes en el aire en intervalos de un segundo o menos, los dispositivos SEN5x proporcionan un monitoreo continuo en tiempo real de la CA en un factor de forma pequeño de 53 mm × 44 mm × 22 mm. El SEN5x es un nodo de sensor completo con múltiples sensores en una carcasa que utiliza tecnología de flujo envolvente para aumentar la resistencia al polvo y otras partículas, lo que le permite funcionar en entornos interiores más adversos, como fábricas o plantas de producción. Los nodos SEN5x también incluyen ventiladores con geometría de flujo de aire probada para ayudar a mantener una funcionalidad óptima y prolongar la vida útil de los dispositivos, que se espera que supere los diez años. El ventilador realiza una función de autolimpieza para expulsar el polvo y las partículas recogidas mientras el sensor está en modo de medición. El intervalo entre los ciclos de limpieza se puede ajustar si el nodo de sensor se encuentra en un área altamente contaminada.
Los nodos SEN5x vienen con una interfaz I²C que permite una fácil integración en sistemas existentes de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), purificación de aire y monitoreo de calidad del aire, evitando reconfiguraciones costosas y que consumen tiempo. También emplean algoritmos preintegrados exclusivos para la compensación de temperatura, humedad y el cálculo del índice de COV para promover aún más la integración fluida en sistemas existentes y ahorrar a los desarrolladores la molestia de escribir el código por sí mismos. Estos algoritmos incluyen el motor de Aceleración de Temperatura de Sensirion (STAR), que proporciona a los usuarios finales lecturas de temperatura hasta tres veces más rápidas y confiables que la competencia, según Sensirion. Los nodos SEN5x proporcionan una salida digital completamente calibrada al momento de la instalación y pueden reiniciarse en un máximo de 50 ms, reduciendo los tiempos de calibración e inicio asociados con otros monitores de CA.
Por lo general, los nodos SEN5x solo consumen entre 0.7 mA y 70 mA de corriente de alimentación, alcanzando un máximo de 100 mA, lo que potencialmente ahorra a los clientes la necesidad de volver a cablear o reconfigurar las instalaciones eléctricas existentes. Además, estos dispositivos cuentan con un nivel promedio de emisión acústica de tan solo 24 dB, lo que los hace discretos y poco propensos a interferir incluso en entornos de trabajo muy silenciosos.
Calidad del aire, salud y productividad
Aunque actualmente no existen estándares reconocidos a nivel federal o internacional para la calidad del aire saludable, organizaciones como la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) y los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) han contribuido a crear un conjunto de directrices recomendadas para los niveles seguros de exposición a los contaminantes atmosféricos más comunes. Los contaminantes químicos en el aire, como el CO o el CO2, se miden en partes por millón (ppm). Niveles de CO2 entre 400 ppm y 650 ppm se consideran normales para entornos interiores, mientras que niveles de 800 ppm o más pueden comenzar a causar efectos adversos. Los niveles elevados de CO2 en el aire no solo son perjudiciales para la salud, sino que también pueden tener graves repercusiones en la productividad en el lugar de trabajo.
Si alguna vez ha estado en una habitación abarrotada y mal ventilada, es posible que conozca la sensación: sus párpados comienzan a sentirse pesados, las voces de los demás en la habitación se convierten en ruido de fondo y comienza a soñar despierto. Es posible que la reunión haya estado aburrida, pero también que haya sentido los efectos de la sobreexposición al CO2. Estudios han demostrado que los niveles de CO2 en el aire se correlacionan directamente con la productividad y el estado de ánimo en el lugar de trabajo; es decir, una mejor ventilación se traduce en empleados más felices y más comprometidos en su trabajo. Siguiendo esta lógica, los casinos monitorean los niveles de CO2 para asegurarse de que sus clientes no se cansen demasiado, incluso llegando a bombear oxígeno al edificio para revitalizarlos.
Otros contaminantes atmosféricos son seguros solo en concentraciones insignificantes (como el formaldehído, con niveles de exposición recomendados no mayores a 0.2 ppm) o son inseguros en cualquier nivel (como el radón o las fibras de asbesto). La materia particulada en el aire se mide en microgramos por metro cúbico (µg/m3). La EPA recomienda que los niveles de PM2.5 (partículas con un diámetro no mayor a 2.5 micrómetros) se mantengan por debajo de 12 µg/m3 y que los niveles de PM10 (partículas más grandes con un diámetro mayor a 10 micrómetros) se mantengan en o por debajo de 54 µg/m3, ya que las partículas más grandes son más manejables para los pulmones humanos a la hora de filtrar el aire que las partículas más pequeñas.
Mantener los sistemas de HVAC funcionando en niveles óptimos también ayuda a prevenir la transmisión de enfermedades transmitidas por el aire, como la transmisión del COVID-19, lo que ahorra a las empresas tiempo y dinero perdido debido a los días de enfermedad y a la reducción de la productividad. Los monitores de CA que pueden detectar patógenos transmitidos por el aire no están ampliamente disponibles comercialmente, pero el monitoreo de contaminantes atmosféricos como el CO2 puede ayudar a mejorar el flujo de aire y la ventilación en general y reducir el riesgo de transmisión de enfermedades.
Conclusión
Mantener una calidad del aire saludable es fundamental para fomentar un entorno de trabajo o de aprendizaje seguro y saludable. Los sistemas de HVAC y purificación de aire eficientes requieren sensores para informar a los administradores de edificios sobre su funcionamiento y cómo pueden mejorarse. Nodos de sensores como el SEN5x de Sensirion proporcionan esta información en tiempo real con una precisión excepcional, brindando a los usuarios finales los datos que necesitan para realizar ajustes ambientales cuando sea necesario, todo mientras se integran fácilmente en sistemas preexistentes. Ya sea en el hogar, la escuela, la oficina o una planta de producción, el monitoreo de la calidad del aire es vital para la salud y el bienestar, y los nodos de sensores de CA como el SEN5x son fundamentales para obtener lecturas oportunas y confiables.