NanoSense è una PMI con sede nella regione dell'Ile-de-France e si occupa di qualità dell'aria interna (IAQ nel testo seguente) dal 2002. L'azienda progetta e produce diverse sonde multisensore (CO2, VOC, T°, T°, RH, Radon, PM) IAQ con algoritmi di controllo (ventilazione) e sono compatibili con le principali interfacce dei principali standard per l'edilizia intelligente. Lo scopo di questo articolo è quello di condividere la sua esperienza in materia di qualità dell'aria interna e di studiare diversi modi per migliorarla.
La sua competenza si estende anche ai sistemi autonomi noti come "Energy Harvesting", così come la rappresentazione della IAQ sotto forma di impatti umani e, come tutte le conoscenze, è destinata ad essere condivisa.
Poiché gli edifici sono i maggiori consumatori di energia del paese, il legislatore ha messo in atto diversi strumenti: Incentivi fiscali per la ristrutturazione di vecchi edifici (i più energivori), norme termiche per i nuovi edifici (l'ultima in vigore è la RT2012) e per la prima volta norme per i più grandi edifici terziari esistenti, obbligandoli così a ristrutturare.
Le varie normative termiche successive hanno inizialmente favorito l'isolamento dell'involucro, poi la sua tenuta all'aria, attraverso il riscaldamento con una migliore efficienza (condensazione e pompe di calore). A partire dalla RT 2012, i nuovi edifici sono quindi "a tenuta d'aria", il che richiede una ventilazione meccanica o naturale controllata.
Infatti, un edificio ben isolato perde principalmente calorie attraverso il rilascio di aria calda in inverno o di aria fresca in estate a causa della ventilazione. Il consumo di riscaldamento e di aria condizionata diventa quindi principalmente legato al flusso di aria rinnovata.
È quindi necessario controllare adeguatamente il rinnovo dell'aria per ridurre al minimo il consumo energetico, ma prima di tutto dobbiamo porci la domanda principale: perché dobbiamo rinnovare l'aria negli edifici?
Le nostre funzioni cerebrali ci distinguono dagli altri mammiferi, il cervello è il nostro patrimonio più prezioso. Questo, anche se rappresenta solo il 2% del peso del nostro corpo consuma solo il 20% dell'ossigeno dell'aria respirata attraverso il flusso sanguigno. E il sangue fornisce anche altri alimenti al cervello che nutre con frugalità.
La respirazione è simile alla combustione: inaliamo l'ossigeno che i nostri polmoni assimilano e che viene trasportato grazie all'emoglobina, ma respingiamo anche l'ossigeno che è stato consumato (ossidazione) sotto forma di CO2 e vapore acqueo (H2O). Il volume respirato in un solo giorno rappresenta un volume di 15m3 di aria. La superficie sviluppata dei nostri polmoni ha le dimensioni di un campo da tennis. Questa gigantesca superficie è molto porosa e assorbe, oltre all'ossigeno, i composti organici volatili (COV) e le particelle fini contenute nell'aria. Se questi elementi non venissero assorbiti, il fondo dei nostri polmoni si sporcherebbe in un giorno come il fondo del nostro letto dopo un mese. Per esempio, respirando i vapori dell'alcool (un COV tra gli altri) si può diventare rapidamente ubriachi, per non parlare delle droghe che si inalano.
Tutti questi elementi assorbiti dalla respirazione sono trasportati dal sangue per nutrire principalmente il nostro cervello.
Per questo motivo, la scarsa qualità dell'aria interna compromette le funzioni cognitive e la produttività.
Ad esempio, una concentrazione di 1000 ppm di CO2 (l'aria che respiriamo fuori), che è la soglia regolamentare per una classe, corrisponde ad una riduzione delle funzioni cognitive di oltre il 23%. Quando si sa che in una classe è comune raggiungere più di 3000 ppm dopo un'ora di lezione, non c'è da stupirsi che gli studenti si comportino male. Elevati livelli di CO2 vengono raggiunti anche in una camera da letto con porta chiusa, il che influisce sulla qualità del sonno.
Mentre la CO2 non ha alcun impatto sulla salute (se non a livelli estremamente elevati) i COV e le particelle sottili influiscono sulla salute. Le sole particelle fini sono responsabili di oltre 48.000 morti all'anno in Francia. I COV sono complessivamente dannosi, ma alcuni sono ora soggetti a norme specifiche per gli stabilimenti che ricevono il pubblico (ERP) perché riconosciuti come cancerogeni comprovati: Formaldeide e benzene. La formaldeide si trova nel legno (naturale) ma soprattutto nelle colle (pannelli truciolari). Il benzene si trova in alcune materie plastiche e nei fumi della benzina (in sostituzione del piombo). I casi in cui il benzene è il più importante riguardano i parcheggi collegati all'abitazione.
Per queste diverse ragioni è quindi essenziale ventilare gli edifici, ma la diluizione con aria esterna non è sempre la soluzione ottimale sia in termini di energia che di qualità, come vedremo di seguito.
Soluzione NanoSense: IAQ multi-inquinante guidata da IAQ
Come accennato in precedenza, deve essere garantito un livello sufficientemente basso di CO2 in modo che le funzioni cognitive non ne siano influenzate. Ma non dobbiamo trascurare il comfort olfattivo e la produttività. Nonostante una sonda di CO2 in una sala riunioni, quanti di noi hanno avvertito un disagio olfattivo dopo una pausa caffè quando siamo tornati in sala! Il corpo umano regola la sua temperatura sudando. È l'evaporazione del sudore che crea refrigerio. È questo sudore che esala l'acido valerico e che noi percepiamo. Ma l'acido valerico, come la maggior parte degli altri COV, viene assorbito nel flusso sanguigno durante la respirazione e, come la CO2, influisce sulle funzioni cognitive. Si tratta di una scoperta recente, ma con conseguenze di vasta portata.
NanoSense è stato il primo produttore di sensori IAQ ad integrare sensori VOC. Ciò consente una ventilazione che garantisce il comfort olfattivo, una migliore produttività (funzioni cognitive) e una migliore salute a lungo termine.
Ma un buon controllo della ventilazione deve anche tener conto dell'umidità interna. L'aria troppo umida provoca danni all'edificio (macchie o sbucciature di vernice, muffe, deformazioni del parquet). L'aria troppo secca provoca crepe nei mobili, nei serramenti e nei pavimenti in parquet, ma può anche influire sugli occupanti: produce elettricità statica, asciuga la pelle e le labbra e irrita le mucose e le vie respiratorie.
Idealmente, una sonda IAQ dovrebbe essere in grado di tenere conto dell'umidità dell'aria esterna. Se l'umidità assoluta dell'aria esterna è superiore a quella dell'aria interna da ridurre, non è consigliabile utilizzare la diluizione. L'asciugatura deve poi essere ottenuta con altri mezzi, come ad esempio l'aria condizionata.
A tale scopo i sensori NanoSense IAQ possono essere collegati ad un sensore esterno di temperatura e umidità. Inoltre, la temperatura esterna viene utilizzata per il controllo del "free cooling" (raffreddamento in estate quando l'aria esterna è più fresca, tipicamente di notte).
Naturalmente, le sonde NanoSense IAQ integrano controlli di ventilazione sul superamento di soglie multi-inquinanti CO2, COV, Umidità, PM1, PM2.5 e PM10, Radon. Il controllo della temperatura viene eseguito con un algoritmo auto-adattabile (utilizzando un PID Proporzionale Integrale Proporzionale Derivativo molto accurato i cui parametri vengono riempiti con l'apprendimento).
EnOcean e/o KNX Ecosystem
Ma ottimizzare la ventilazione significa anche integrarsi nell'ecosistema dell'edificio. I sensori di presenza tipicamente usati per accendere o spegnere automaticamente le luci possono essere usati per regolare i requisiti di IAQ in base all'occupazione. I sensori di apertura delle finestre possono essere utilizzati anche per spegnere il riscaldamento e la ventilazione quando le finestre sono aperte.
Questi elementi rendono la gestione della IAQ ancora più coinvolta nell'efficienza energetica dell'edificio.
Gli ecosistemi utilizzano generalmente un mezzo di comunicazione standardizzato che consente l'interoperabilità tra apparecchiature di produttori diversi. Lo stesso sensore di presenza può quindi essere utilizzato per il riscaldamento, la climatizzazione, la ventilazione, l'illuminazione e persino per le tapparelle.
Gli standard più comuni sono KNX (bus digitale cablato) ed EnOcean (radio per sensori senza batteria e senza fili).
Il protocollo KNX è il più sofisticato e permette una regolazione molto fine. Viene utilizzato principalmente nel settore terziario e alberghiero. L'equivalente di KNX sul mercato nordamericano è lo standard LON a volte utilizzato negli edifici ad alta altezza (HGI) in Europa.
Il protocollo radio EnOcean è semplice da implementare, ma con un numero limitato di parametri. È lo standard di riferimento radio per i sensori e gli attuatori senza batteria e senza fili perché è uno standard internazionale ISO. Utilizza una frequenza di 868 Mhz che gli conferisce un ampio raggio d'azione all'interno degli edifici. L'energia radio utilizzata è particolarmente bassa (100 volte inferiore a quella generata dalla scintilla all'interno di un interruttore tradizionale) rendendo questa tecnologia la soluzione ideale per asili e scuole dove le radiazioni elettromagnetiche non sono gradite.
Esiste anche uno standard ereditato da impianti industriali chiamato Modbus. Si tratta di un bus digitale cablato molto economico che può raggiungere grandi distanze (1,2Km) ma non ha un linguaggio standardizzato e richiede un PLC centralizzato rendendo l'architettura più vulnerabile rispetto agli standard precedenti con "intelligenza" distribuita e quindi, per natura, più resistente in caso di guasto.
Non esiste uno standard ideale, ed è per questo che NanoSense offre sonde IAQ che soddisfano tutti questi diversi standard. Poiché a volte ha senso mescolare più standard, nelle sonde IAQ è integrata anche una funzione gateway. Tipicamente una sonda KNX IAQ con maniglie a finestra senza fili EnOcean senza batterie.
Soluzione ottimale: tenere conto degli effetti del cocktail
Un sistema di misura e controllo multi-inquinante è, come abbiamo appena visto, molto più rilevante dei sistemi "ciechi" o di ventilazione su CO2 e/o umidità.
Tuttavia, se volete essere veramente rilevanti, dovete guardare l'immagine nel suo insieme! Non ci sono molti inquinanti nocivi per l'aria negli ambienti interni? Anche se c'è una soglia per ciascuna di esse che non è consigliabile superare, se tutte queste soglie raggiungono o superano il loro limite contemporaneamente, non sarebbe più pericoloso respirare quest'aria piuttosto che un'aria o uno degli inquinanti che si trovano alla concentrazione limite?
Nei farmaci non soggetti a prescrizione medica, per esempio, si dice "non superare le X compresse al giorno", ma se si prendono 10 scatole di farmaci diversi e si ingerisce la dose limite raccomandata ogni volta... L'impatto sul vostro corpo sarà dieci volte maggiore e lo stesso vale per l'impatto sul cervello, che è la parte più irrigata del corpo.
Con questo in mente, NanoSense quantifica e integra nei suoi calcoli di impatto fisiologico gli effetti cocktail di diversi inquinanti dell'aria interna.
Infatti, con l'algoritmo Smart IAQ, la ventilazione può essere attivata senza che venga superata alcuna delle soglie degli inquinanti se l'impatto complessivo è superiore al set point desiderato.
Democratizzazione e divulgazione della qualità dell'aria
Le normative termiche attuali e future riguardano l'intera popolazione, e non è possibile democratizzare i sistemi di bonifica basati sulla misurazione IAQ senza fornire la visibilità che viene fornita da un termostato che visualizza il setpoint e la temperatura ambiente.
Sarebbe irragionevole pensare che sarebbe possibile educare un'intera popolazione in IAQ al punto da poter comprendere e interpretare ppm, ppb e µg/m3. È quindi essenziale trovare un modo semplice e intuitivo per rappresentare la IAQ.
L'uso delle attuali sonde IAQ per controllare i sistemi di ventilazione si scontra anche con la difficoltà di parametrizzazione da parte degli integratori. Inoltre, le soglie normative, laddove esistono, sono guidate più dagli aspetti sanitari che dai loro effetti fisiologici immediati.
Un nuovo modo di esprimere la IAQ è dato dai suoi effetti fisiologici indotti piuttosto che dalla misurazione.
La tabella seguente riassume i vari effetti fisiologici e gli elementi di IAQ che vi contribuiscono.
Produttività
Il problema della produttività riguarda principalmente il livello terziario, ma riguarda anche le scuole dove le funzioni cognitive sono centrali per la missione dell'educazione nazionale.
Le attuali sonde di mercato controllano il risanamento sulla base di soglie individuali (CO2 principalmente, vedi umidità e COV nella migliore delle ipotesi) senza preoccuparsi degli effetti fisiologici o della combinazione di diversi costituenti.
La tabella sopra riportata mostra che la produttività è legata alle concentrazioni di CO2, COV, particelle fini e temperatura (vedi rumore).
Grazie alla potenza dei microprocessori integrati nelle sonde IAQ, è ora possibile implementare algoritmi che determinano automaticamente le soglie di controllo della ventilazione in base alla temperatura ambiente e agli obiettivi di produttività. Se una soglia viene superata da uno degli elementi, le soglie degli altri contributori possono essere automaticamente regolate per raggiungere l'obiettivo di produttività definito sulla media degli inquinanti che contribuiscono.
L'impatto della CO2 sulle funzioni cognitive è noto da molto tempo. E' stato recentemente quantificato dal NIH (National Institute of Environmental Health Science) negli USA per diverse attività che corrispondono ai seguenti grafici:
Queste curve possono essere mediate come segue
Più sorprendentemente, nello stesso studio, questo istituto ha dimostrato l'impatto dei COV totali.
In un altro studio sui confezionatori di pere pagati dal lavoro, è stato possibile dimostrare e quantificare l'impatto del PM2.5 sulla produttività.
Anche l'impatto della temperatura è stato modellato sulla base di una media di oltre 20 studi e sintetizzato come segue:
In effetti, sembra ovvio che se fa troppo caldo o troppo freddo, è difficile concentrarsi su un compito, ma questo impatto doveva essere modellato matematicamente.
L'impatto del rumore ambientale sulla concentrazione può anche essere modellato.
Anche il comfort olfattivo può influire sulla produttività, ma il fenomeno è più complesso di quanto possa sembrare a prima vista. In effetti, la nozione di odore buono o cattivo è molto soggettiva e molto legata alla cultura culinaria (ad esempio, un uovo centenario) e alla memoria olfattiva della prima infanzia, che associa alcuni odori a sensazioni di benessere e altri a sofferenze passate. Inoltre, il cervello adatta la soglia olfattiva per ogni odore (un sistema legato all'accettazione degli odori corporei personali).
La considerazione del comfort olfattivo si baserà quindi su rapide variazioni dei livelli di COV.
Esistono quindi, per le funzioni cognitive, semplici modelli matematici per ogni collaboratore (vedi grafici precedenti) provenienti da diverse ricerche accademiche.
Tuttavia, nella vita reale, tutti questi effetti studiati e quantificati individualmente in laboratorio si combinano (effetto cocktail) e dovrebbe essere possibile stabilire un impatto complessivo.
Non ci sono ancora studi sull'effetto cocktail di chi contribuisce al deterioramento cognitivo, ma NanoSense ha sviluppato un modello matematico che è attualmente in fase di test.
Quando un edificio è dotato di misure correttive come il ricircolo attraverso un filtro per il PM è possibile ridurre il PM senza rinnovo dell'aria, il che è più efficiente ed economico della diluizione. La diluizione può essere o meno dotata di un sistema di filtraggio dell'aria in entrata. Il controllo dei vari metodi di bonifica richiede quindi di tener conto delle loro caratteristiche e di ottimizzare il loro impegno in funzione della loro efficacia e del loro impatto economico.
Considerazione della qualità dell'aria esterna (IAQ: Atmospheric Air Quality)
Una politica di risanamento ottimale è il compromesso tra l'inquinamento interno, l'inquinamento dell'aria esterna, il consumo energetico (diverso a seconda dei mezzi di risanamento) e le istruzioni per l'utente. Il caso più comune è un'elevata esposizione alla CO2 che colpisce principalmente le funzioni cognitive con aria esterna carica di particelle fini (PM2.5) e un CMV non filtrato. Le particelle influiscono anche sulle funzioni cognitive, ma soprattutto sulla salute a lungo termine. Il compromesso riguarda quindi conseguenze di natura completamente diversa per tempi di esposizione molto diversi.
Sonda QAAA NanoSense
Il costo energetico della diluizione e di altri tipi di risanamento contribuisce alla politica di risanamento.
Lo scopo di questa soluzione è di determinare le istruzioni di risanamento da applicare, siano esse manuali e/o automatiche.
All'inizio del 2018, la Città di Parigi e l'Urban Lab di Paris&Co hanno deciso di fare del grande tema della qualità dell'aria il tema del loro nuovo programma sperimentale, con il supporto delle competenze tecniche di Airparif.
La soluzione SmartQAI di NanoSense è uno dei 5 progetti Indoor Air Quality ad essere stato selezionato, insieme ad "Air4kids", una soluzione proposta da VentilairSec che implementa le sonde IAQ NanoSense per il controllo di un innovativo sistema VMI VentilairSec.
L'emergere di prodotti autonomi nel settore dell'edilizia
In queste politiche di efficienza energetica degli edifici, gli impianti (l'involucro, il riscaldamento...) non devono essere gli unici a contribuire, l'automazione degli edifici può contribuire al 30% di risparmio energetico. Deve quindi essere possibile moltiplicare il numero di sensori per i sistemi automatizzati (sensori di presenza, sensori di apertura finestre, sensori IAQ, sensori T°, ecc.
L'installazione di una sonda cablata costa quasi quanto la sonda stessa. L'uso di sensori di energia autonomi è quindi un modo economico di implementare l'automazione nell'edificio. Inoltre, questo dispiegamento è rapido e non invasivo (business continuity nel settore terziario).
Ecco perché NanoSense investe da diversi anni per creare prodotti autonomi per gli edifici e i loro utenti!
NanoSense ha sviluppato una sonda IAQ (CO2, VOC, T°, RH) interamente alimentata dalla luce ambientale. Comunica via radio secondo vari standard a bassa potenza, tra cui EnOcean.
Per completare l'ecosistema, è stato creato anche un display di controllo autoalimentato dalla luce ambientale.
Questi prodotti sono progettati per durare più di 10 anni, ma in teoria sono infiniti! Inoltre, continuano a funzionare, anche durante un'assenza prolungata, per 60 giorni al buio.
Sintesi
Abbiamo visto qui la necessità di controllare i diversi mezzi di ventilazione principalmente a causa della maggiore tenuta all'aria degli edifici in un'ottica di efficienza energetica. Tuttavia, l'efficienza energetica non dovrebbe essere raggiunta a scapito della buona qualità dell'aria. Sarebbe saggio, da questo punto di vista, non esagerare nella ventilazione permanente per paura di inebriare gli occupanti. Abbiamo visto che il sistema esistente, in termini di controllo della ventilazione, era al massimo contenuto da controllare in Umidità o CO2.
Questo controllo è lungi dall'essere ottimale, per questo motivo è preferibile utilizzare soluzioni di controllo della ventilazione che utilizzano il rilevamento di più inquinanti (CO2 + VOC + PM) e l'intelligenza di controllo integrata nei sensori.
Affinché queste soluzioni siano democratizzate, è importante tenere conto di diversi fattori, i sensori e il loro impiego devono essere efficienti dal punto di vista dei costi, l'accesso ai dati della IAQ in termini intelligibili deve essere democratizzato attraverso un accesso semplice e diretto. Affinché gli occupanti siano attori illuminati della loro IAQ, sembra necessario utilizzare una visualizzazione dei dati sulla qualità dell'aria in impatti fisiologici su smartphone o tablet.
L'integrazione della qualità dell'aria esterna, degli effetti cocktail e della considerazione energetica ci sembra essere il futuro in termini di rappresentazione e gestione della qualità dell'aria interna.
Trovate qui l'articolo sul sito web di Construction 21!
La nostra cartella stampa 2020.
Il nostro comunicato stampa 2020.
