NanoSense es una PYME con sede en la región de Île-de-France y ha estado involucrada en la calidad del aire interior (IAQ en el siguiente texto) desde 2002. La compañía diseña y produce varias sondas IAQ multisensoriales (CO2, VOC, T°, RH, Radón, PM) con algoritmos de control (ventilación) y son compatibles con las principales interfaces de los principales estándares de construcción inteligente. El propósito de este artículo es compartir sus conocimientos sobre la calidad del aire en interiores y estudiar diferentes formas de mejorarla.
Su experiencia también se extiende a los sistemas autónomos conocidos como "Recolección de Energía", así como a la representación de la IAQ en forma de impactos humanos y, como todo conocimiento, está destinado a ser compartido.
Dado que los edificios son los mayores consumidores de energía del país, el legislador ha establecido varios instrumentos: Incentivos fiscales para la renovación de edificios antiguos (los más intensivos en energía), reglamentos térmicos para edificios nuevos (el último en vigor es el RT2012) y por primera vez reglamentos para los edificios terciarios más grandes existentes, obligándolos así a renovar.
Las diversas reglamentaciones térmicas sucesivas han favorecido en primer lugar el aislamiento de la envoltura, y luego su estanqueidad, mediante un calentamiento de mayor eficacia (condensación y bombas de calor). Desde la RT de 2012, los nuevos edificios son, por lo tanto, "herméticos", lo que requiere una ventilación mecánica o natural controlada.
De hecho, un edificio bien aislado pierde principalmente calorías a través de la liberación de aire caliente en invierno o aire fresco en verano debido a la ventilación. El consumo de calefacción y aire acondicionado se relaciona entonces principalmente con el flujo de aire renovado.
Por lo tanto, es necesario controlar adecuadamente la renovación del aire para minimizar el consumo de energía, pero antes de nada debemos hacernos la pregunta principal: ¿Por qué necesitamos renovar el aire de los edificios?
Nuestras funciones cerebrales nos distinguen de otros mamíferos, el cerebro es nuestra herencia más preciada. Esto, aunque sólo representa el 2% del peso de nuestro cuerpo consume solo el 20% del oxígeno del aire respirado a través del flujo sanguíneo. Y la sangre también proporciona otros alimentos al cerebro que nutre con frugalidad.
La respiración es similar a la combustión: inhalamos el oxígeno que nuestros pulmones asimilan y que es transportado gracias a la hemoglobina, pero también rechazan el oxígeno que se ha consumido (oxidación) en forma de CO2 y vapor de agua (H2O). El volumen respirado en un solo día representa un volumen de 15m3 de aire. La superficie desarrollada de nuestros pulmones es del tamaño de una cancha de tenis. Esta gigantesca superficie es muy porosa y absorbe, además de oxígeno, compuestos orgánicos volátiles (COV) y partículas finas contenidas en el aire. Si estos elementos no fueran absorbidos, el fondo de nuestros pulmones estaría tan sucio en un día como el fondo de nuestra cama después de un mes. Por ejemplo, al inhalar vapores de alcohol (un COV entre otros) puedes emborracharte rápidamente, sin mencionar las drogas que inhalas.
Todos estos elementos absorbidos por la respiración son transmitidos por la sangre para alimentar principalmente nuestro cerebro.
Por esta razón, la mala calidad del aire interior perjudica la función cognitiva y la productividad.
Por ejemplo, una concentración de 1000 ppm de CO2 (el aire que respiramos), que es el umbral de regulación de un aula, corresponde a una reducción de las funciones cognitivas de más del 23%. Cuando se sabe que en un aula es común alcanzar más de 3000 ppm después de una hora de clase, no es sorprendente que los estudiantes se desempeñen mal. Los altos niveles de CO2 también se alcanzan en un dormitorio con la puerta cerrada, lo que afecta a la calidad del sueño.
Mientras que el CO2 no tiene ningún impacto en la salud (excepto en niveles extremadamente altos) los COV y las partículas finas afectan a la salud. Sólo las partículas finas son responsables de más de 48.000 muertes al año en Francia. Los COV son perjudiciales en general, pero algunos están ahora sujetos a reglamentos específicos para los establecimientos que reciben al público (PRE) porque se les reconoce como cancerígenos probados: Formaldehído y benceno. El formaldehído se encuentra en la madera (natural) pero principalmente en las colas (aglomerado). El benceno se encuentra en algunos plásticos y en los vapores de la gasolina (sustituyendo al plomo). Los casos en los que el benceno es el más importante conciernen a los aparcamientos conectados con la vivienda.
Por estas diversas razones es por lo tanto esencial ventilar los edificios, pero la dilución con aire exterior no es siempre la solución óptima tanto en términos de energía como de calidad, como veremos más adelante.
Solución de NanoSentido: IAQ impulsado por multi-contaminantes
Como se mencionó anteriormente, se debe garantizar un nivel de CO2 suficientemente bajo para que las funciones cognitivas no se vean afectadas. Pero no debemos descuidar la comodidad olfativa y la productividad. A pesar de una sonda de CO2 en una sala de reuniones, ¡cuántos de nosotros sentimos un malestar olfativo después de una pausa para el café cuando volvimos a la sala! El cuerpo humano regula su temperatura mediante el sudor. Es la evaporación del sudor lo que crea el refresco. Es este sudor el que exhala el ácido valérico y el que percibimos. Pero el ácido valérico, como la mayoría de los COV, es absorbido por el torrente sanguíneo durante la respiración y, como el CO2, afecta a las funciones cognitivas. Este es un descubrimiento reciente pero con consecuencias de gran alcance.
NanoSense fue el primer fabricante de sensores IAQ que integró sensores de COV. Esto permite una ventilación que asegura la comodidad olfativa, una mejor productividad (funciones cognitivas) y una mejor salud a largo plazo.
Pero un buen control de la ventilación también debe tener en cuenta la humedad del interior. El aire demasiado húmedo causa daños en el edificio (pintura manchada o descascarada, moho, suelos de parquet deformados). El aire demasiado seco causa grietas en los muebles, la carpintería y los suelos de parquet, pero también puede afectar a los ocupantes: produce electricidad estática, reseca la piel y los labios e irrita las mucosas y las vías respiratorias.
Idealmente, una sonda IAQ debería ser capaz de tener en cuenta la humedad del aire exterior. Si la humedad absoluta del aire exterior es superior a la del aire interior a reducir, no es aconsejable utilizar la dilución. El secado debe entonces lograrse por otros medios como el aire acondicionado.
Los sensores del NanoSense IAQ pueden conectarse a un sensor externo de temperatura y humedad para este propósito. Además, la temperatura exterior se utiliza para el control del "enfriamiento libre" (enfriamiento en verano cuando el aire exterior es más fresco, típicamente por la noche).
Naturalmente, las sondas IAQ de NanoSense integran controles de ventilación al exceder los umbrales de múltiples contaminantes CO2, VOC, Humedad, PM1, PM2.5 y PM10, Radón. El control de la temperatura se realiza con un algoritmo auto-adaptativo (utilizando un PID proporcional integral derivativo muy preciso cuyos parámetros se rellenan mediante el aprendizaje).
EnOceano y/o Ecosistema KNX
Pero optimizar la ventilación también significa integrarse en el ecosistema del edificio. Los sensores de presencia que se utilizan normalmente para encender o apagar automáticamente las luces se pueden utilizar para ajustar los requisitos de la IAQ a la ocupación. Los sensores de apertura de ventanas también pueden usarse para apagar la calefacción y la ventilación cuando se abren las ventanas.
Estos elementos hacen que la gestión del IAQ se involucre aún más en la eficiencia energética del edificio.
Los ecosistemas suelen utilizar un medio de comunicación normalizado que permite la interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes. Así, el mismo sensor de presencia puede utilizarse para la calefacción, el aire acondicionado, la ventilación, la iluminación e incluso las persianas.
Los estándares más comunes son KNX (bus digital alámbrico) y EnOcean (radio para sensores sin batería e inalámbricos).
El protocolo KNX es el más sofisticado y permite un ajuste muy fino. Se utiliza principalmente en los sectores terciario y hotelero. El equivalente de KNX en el mercado norteamericano es el estándar LON que a veces se usa en edificios altos (HGI) en Europa.
El protocolo de radio de EnOcean es simple de desplegar, pero con un número limitado de parámetros. Es el estándar de referencia de radio para sensores y actuadores sin batería e inalámbricos porque es un estándar ISO internacional. Utiliza una frecuencia de 868 Mhz que le da un gran alcance dentro de los edificios. La energía de radio utilizada es particularmente baja (100 veces menos que la generada por la chispa dentro de un interruptor tradicional), lo que hace de esta tecnología la solución ideal para guarderías y escuelas donde la radiación electromagnética no es bienvenida.
También hay un estándar heredado de las instalaciones industriales llamado Modbus. Se trata de un bus digital alámbrico muy económico que puede alcanzar grandes distancias (1,2Km) pero no tiene un lenguaje estandarizado y requiere un PLC centralizado, lo que hace que la arquitectura sea más vulnerable en comparación con los estándares anteriores con "inteligencia" distribuida y, por lo tanto, por naturaleza, más resistente en caso de fallo.
No hay un estándar ideal, por lo que NanoSense ofrece sondas IAQ que cumplen con todos estos diferentes estándares. Como a veces tiene sentido mezclar varios estándares, hay incluso una función de puerta de enlace integrada en las sondas IAQ. Típicamente una sonda KNX IAQ con manijas de ventana sin baterías de EnOcean.
Solución óptima: tener en cuenta los efectos del cóctel
Un sistema de medición y control de múltiples contaminantes es, como acabamos de ver, mucho más relevante que los sistemas "ciegos" o de ventilación sobre el CO2 y/o la humedad.
Sin embargo, si quieres ser realmente relevante tienes que mirar el cuadro en su conjunto! ¿No hay muchos contaminantes dañinos en el aire interior? Aunque hay un umbral para cada uno de ellos que no es aconsejable superar, si todos estos umbrales alcanzan o superan su límite al mismo tiempo, ¿no sería más peligroso respirar este aire en lugar de que un aire o uno de los contaminantes se encuentren en la concentración límite?
En los medicamentos de venta sin receta, por ejemplo, dice "no exceda de X tabletas por día" pero si toma 10 cajas de diferentes medicamentos e ingiere la dosis límite recomendada cada vez... El impacto en su cuerpo será diez veces mayor y lo mismo ocurre con el impacto en su cerebro, que es la parte más irrigada del cuerpo.
Teniendo esto en cuenta, NanoSense cuantifica e integra en sus cálculos de impacto fisiológico los efectos cóctel de los diferentes contaminantes del aire interior.
De hecho, con el algoritmo Smart IAQ, la ventilación puede activarse sin que se supere ninguno de los umbrales de contaminantes si el impacto global es mayor que el punto de ajuste deseado.
Democratización y popularización de la calidad del aire
Las regulaciones térmicas actuales y futuras afectan a toda la población, y no es posible democratizar los sistemas de remediación basados en la medición de la CAI sin proporcionar la visibilidad que proporciona un termostato que muestre el punto de consigna y la temperatura ambiente.
No sería razonable pensar que sería posible educar a toda una población en IAQ hasta el punto de poder entender e interpretar ppm, ppb y µg/m3. Por lo tanto, es esencial encontrar una forma simple e intuitiva de representar el IAQ.
El uso de las actuales sondas IAQ para controlar los sistemas de ventilación también se enfrenta a la dificultad de la parametrización por parte de los integradores. Además, los umbrales reglamentarios, cuando existen, se guían más por aspectos de salud que por sus efectos fisiológicos inmediatos.
Una nueva forma de expresar el IAQ es por sus efectos fisiológicos inducidos más que por la medición.
En el cuadro que figura a continuación se resumen los diversos efectos fisiológicos y los elementos de la CAI que contribuyen a ellos.
Productividad
El problema de la productividad concierne principalmente al nivel terciario, pero también a las escuelas en las que las funciones cognitivas son fundamentales para la misión de la educación nacional.
Las actuales sondas del mercado controlan la remediación basada en umbrales individuales (CO2 principalmente, véase humedad y COV en el mejor de los casos) sin preocuparse por los efectos fisiológicos o la combinación de diferentes componentes.
La tabla anterior muestra que la productividad está relacionada con las concentraciones de CO2, COV, partículas finas y temperatura (ver ruido).
Gracias a la potencia de los microprocesadores incorporados en las sondas IAQ, ahora es posible implementar algoritmos que determinan automáticamente los umbrales de control de la ventilación en función de la temperatura ambiente y los objetivos de productividad. Si uno de los elementos supera un umbral, los umbrales de los demás contribuyentes pueden ajustarse automáticamente para cumplir el objetivo de productividad definido en el promedio de los contaminantes contribuyentes.
El impacto del CO2 en las funciones cognitivas se conoce desde hace mucho tiempo. Recientemente ha sido cuantificado por el NIH (Instituto Nacional de Ciencia de la Salud Ambiental) de los Estados Unidos para diferentes actividades, lo que corresponde a los siguientes gráficos:
Estas curvas se pueden promediar de la siguiente manera
Más sorprendentemente, en el mismo estudio, este instituto demostró el impacto de los COV totales.
En otro estudio de empacadores de peras pagados por el trabajo, fue posible demostrar y cuantificar el impacto de las PM2.5 en la productividad.
El impacto de la temperatura también se modeló sobre la base de un promedio de más de 20 estudios y se sintetizó de la siguiente manera:
De hecho, parece obvio que si hace demasiado calor o demasiado frío, es difícil concentrarse en una tarea, pero este impacto tuvo que ser modelado matemáticamente.
También se puede modelar el impacto del ruido ambiental en la concentración.
La comodidad olfativa también puede afectar a la productividad, pero el fenómeno es más complejo de lo que parece a primera vista. En efecto, la noción de buen o mal olor es muy subjetiva y está muy vinculada a la cultura culinaria (por ejemplo, un huevo centenario) y a la memoria olfativa de la primera infancia, que asocia ciertos olores con sentimientos de bienestar y otros con sufrimientos pasados. Además, el cerebro adapta el umbral olfativo para cada olor (un sistema relacionado con la aceptación de los olores corporales personales).
La consideración de la comodidad olfativa se basará, por tanto, en las rápidas variaciones de los niveles de COV.
Por lo tanto, para las funciones cognitivas, existen modelos matemáticos simples para cada colaborador (véase los gráficos anteriores) de diferentes investigaciones académicas.
Sin embargo, en la vida real, todos estos efectos estudiados y cuantificados individualmente en el laboratorio se combinan (efecto cóctel) y debería ser posible establecer un impacto global.
Todavía no hay estudios sobre el efecto cóctel de los contribuyentes al deterioro cognitivo, pero NanoSense ha desarrollado un modelo matemático que se está probando actualmente.
Cuando un edificio está equipado con medidas correctivas como la recirculación a través de un filtro de PM es posible reducir las PM sin necesidad de renovar el aire, lo cual es más eficiente y económico que la dilución. La dilución puede o no estar equipada con un sistema de filtrado del aire entrante. Por consiguiente, el control de los diversos métodos de reparación requiere tener en cuenta sus características y optimizar su compromiso en función de su eficacia y su impacto económico.
Consideración de la calidad del aire exterior (IAQ: Atmospheric Air Quality)
Una política de remediación óptima es el compromiso entre la contaminación interior, la contaminación del aire exterior, el consumo de energía (diferente según el medio de remediación) y las instrucciones de uso. El caso más común es una alta exposición al CO2 que afecta principalmente a las funciones cognitivas con el aire exterior cargado de partículas finas (PM2.5) y un CMV no filtrado. Las partículas también afectan a las funciones cognitivas, pero principalmente afectan a la salud a largo plazo. Por consiguiente, el compromiso se refiere a las consecuencias de naturaleza completamente diferente para tiempos de exposición muy diferentes.
Sonda QAA de NanoSentido
El costo energético de la dilución y otros remedios contribuye a la política de remediación.
El propósito de esta solución es determinar las instrucciones de reparación que se aplicarán, ya sean manuales y/o automáticas.
A principios de 2018, la Ciudad de París y el Laboratorio Urbano de Paris&Co decidieron hacer del tema principal de la calidad del aire el tema de su nuevo programa experimental, con el apoyo de la experiencia técnica de Airparif.
La solución SmartQAI de NanoSense es uno de los 5 proyectos de Calidad del Aire Interior que han sido seleccionados, junto con "Air4kids", una solución propuesta por VentilairSec que implementa sondas IAQ de NanoSense para controlar un innovador sistema VentilairSec VMI.
Surgimiento de productos autónomos en la industria de la construcción
En estas políticas de eficiencia energética de los edificios, las instalaciones (la envoltura, la calefacción...) no deben ser los únicos contribuyentes, la automatización de los edificios puede contribuir a un 30% de ahorro de energía. Por lo tanto, debe ser posible multiplicar el número de sensores para los sistemas automatizados (sensores de presencia, sensores de apertura de ventanas, sensores de IAQ, sensores de T°, etc.) a bajo costo.
La instalación de una sonda alámbrica cuesta casi tanto como la propia sonda. Por lo tanto, el uso de sensores de energía autónoma es una forma rentable de desplegar la automatización en el edificio. Además, este despliegue es rápido y no invasivo (continuidad de las actividades en el sector terciario).
Por eso NanoSense ha estado invirtiendo durante varios años para crear productos autónomos para los edificios y sus usuarios!
NanoSense ha desarrollado una sonda IAQ (CO2, VOC, T°, RH) totalmente alimentada por la luz ambiental. Se comunica por radio de acuerdo a varios estándares de baja potencia, incluyendo EnOcean.
Para completar el ecosistema, también se creó una pantalla controladora que se autoalimenta con la luz ambiental.
Estos productos están diseñados para durar más de 10 años, ¡pero teóricamente son infinitos! Además, siguen funcionando, incluso durante una ausencia prolongada, durante 60 días en la oscuridad.
Síntesis
Hemos visto aquí la necesidad de controlar los diferentes medios de ventilación debido principalmente al aumento de la estanqueidad de los edificios con vistas a la eficiencia energética. Sin embargo, la eficiencia energética no debe lograrse a expensas de la buena calidad del aire. Sería prudente, en este sentido, no sobreventilar permanentemente por miedo a intoxicar a los ocupantes. Hemos visto que el sistema existente, en términos de control de la ventilación, se contentó, en el mejor de los casos, con controlar la humedad o el CO2.
Este control está lejos de ser óptimo, por lo que es preferible utilizar soluciones de control de la ventilación mediante la detección de múltiples contaminantes (CO2 + COV + PM) y la inteligencia de control integrada en los sensores.
Para que estas soluciones se democraticen, es importante tener en cuenta varios factores, los sensores y su despliegue deben ser rentables, el acceso a los datos del IAQ en términos inteligibles debe democratizarse mediante un acceso simple y directo. Para que los ocupantes sean actores ilustres de su IAQ, parece necesario utilizar una visualización de los datos de calidad del aire en los impactos fisiológicos en los teléfonos inteligentes o tabletas.
La integración de la calidad del aire exterior, los efectos de los cócteles y la consideración de la energía nos parece el futuro en términos de representación y gestión de la calidad del aire interior.
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