L’indice di qualità dell’aria interna nelle applicazioni HVAC
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La consapevolezza dell’importanza di un’elevata qualità dell’aria interna è aumentata notevolmente negli ultimi anni, sia per l’aumento del benessere che per la conservazione del tessuto edilizio.
I dispositivi di misurazione della CO2 hanno conosciuto un vero e proprio boom da quando è stata resa nota la correlazione tra la concentrazione di CO2 e il contenuto di aerosol nell’aria interna. La pandemia di covirus ha reso il pubblico dolorosamente consapevole del ruolo degli aerosol e, allo stesso tempo, ha portato l’impatto dell’aria interna sulla nostra salute nella coscienza pubblica.
In effetti, ogni giorno noi esseri umani introduciamo nel nostro corpo 9-18 m³ di aria interna, una quantità circa 10 volte superiore a quella che si ottiene attraverso gli alimenti [1]. Una cattiva aria interna riduce quindi il nostro benessere in molti modi:
- Irritazione delle vie respiratorie e degli occhi
- Disturbi sensoriali come mal di testa, sbalzi d’umore o perdita di appetito
- Formazione o intensificazione di allergie e ipersensibilità
- Forse anche un aumento del rischio di cancro, ad esempio a causa delle sostanze chimiche presenti nei materiali da costruzione o del fumo di tabacco.
Poiché la scienza (e gran parte dell’industria del riscaldamento e della climatizzazione) è da tempo consapevole di queste correlazioni, negli anni ’80 l’OMS ha coniato il termine “sick building syndrome” (“sindrome da edificio malato”). Poiché la qualità dell’aria interna non solo influisce sul corpo e sul benessere degli individui, ma anche sulle loro prestazioni, la qualità dell’aria interna è molto importante anche per scuole, uffici e amministrazioni.
Quanto l'aria interna influisce sulle nostre prestazioni
Nel 2015, uno studio di Harvard ha dimostrato in modo impressionante l’effetto di riduzione delle prestazioni dei COV (Composti Organici Volatili). I soggetti del test sono stati sottoposti a varie discipline cognitive dopo aver trascorso del tempo in ambienti con un’esposizione variabile ai COV. Un’elevata concentrazione di COV è stata indotta dai materiali comunemente utilizzati negli uffici. Né i tester né gli analisti erano a conoscenza dell’appartenenza al gruppo dei partecipanti (“test in doppio cieco”).
Le prestazioni dei soggetti del test nell’edificio “verde” sono state ben il 61% superiori a quelle dell’edificio “non verde”. Con l’utilizzo aggiuntivo di un sistema di ventilazione ad alte prestazioni, il vantaggio prestazionale è addirittura raddoppiato. In alcune discipline cognitive, come l’elaborazione delle informazioni e il pensiero strategico, gli scienziati hanno addirittura migliorato le prestazioni del 300% [2].
La crescente importanza della qualità dell’aria interna offre anche una grande opportunità all’industria del riscaldamento e della climatizzazione di includere questo argomento nel proprio settore di creazione in una fase iniziale. Con una gestione lungimirante dei prodotti, è possibile progettare già oggi concetti di prodotto interessanti che si distinguono dalla concorrenza.
Due principi sensoriali per determinare la qualità dell’aria interna
Mentre l’attenzione si concentra sulla regolazione efficiente della temperatura e dell’umidità per prevenire i danni da umidità nelle applicazioni di riscaldamento e raffreddamento, la concentrazione di CO2 nell’aria interna, misurata in ppm (parti per milione), è considerata un criterio particolarmente decisivo per la valutazione della salubrità dell’aria interna.
Nei casi in cui una misurazione altamente precisa della concentrazione di CO2 è obbligatoria o prescritta dalle normative edilizie, si utilizzano sensori NDIR (Non-Dispersive Infrared) a misurazione spettroscopica. Sono molto precisi, ma altrettanto costosi.
I cosiddetti sensori COV hanno un approccio diverso. Misurano la concentrazione totale dei composti organici volatili (COV) e non permettono di fare dichiarazioni su singoli componenti o composti specifici. A differenza di un sensore NDIR di CO2, ad esempio, un sensore COV non può indicare il tasso di ventilazione specifico necessario, ma solo il contenuto di COV nell’aria e quindi una variazione generale della concentrazione di inquinanti.
Ma perché, nonostante i limiti descritti, sono ideali per il monitoraggio e il mantenimento di una sana qualità dell’aria interna (Indoor Air Quality, IAQ)?
Sensori COV per la misurazione della qualità dell’aria interna (IAQ)
I composti organici volatili vengono rilasciati sotto forma di gas da alcuni solidi o liquidi. I composti organici volatili comprendono una serie di sostanze chimiche emesse da un’ampia gamma di prodotti.
Alcuni esempi sono: Pitture e vernici, detergenti, materiali e mobili per l’edilizia, attrezzature per l’ufficio come fotocopiatrici e stampanti, materiali per la grafica e l’artigianato come colle e adesivi, e una serie di oggetti domestici comuni fino ai giocattoli per bambini. Possono essere rilevate anche le emissioni umane e quelle causate da azioni quotidiane come l’espirazione, la sudorazione, la cottura o il consumo di cibo.
Cosa rilevano i sensori VOC?
- CO, CH4, gas liquido
- Alcoli
- Chetoni
- Acidi organici
- Ammine
- Idrocarburi alifatici
- Idrocarburi aromatici
Questo illustra un importante vantaggio di questa tecnologia: i sensori COV rilevano un ampio spettro di gas che contribuiscono alla qualità dell’aria interna e possono contemporaneamente ricavarne un equivalente di CO2 in ppm. Un sensore di CO2, invece, non può fare il contrario. I sensori COV offrono quindi una visione più completa della qualità dell’aria interna e di solito sono la soluzione più economica.
Aggregano le letture dei diversi COV in un Indice di Qualità dell’Aria per indicare la qualità dell’aria in un’unica metrica. Secondo la classificazione definita dall’EPA (Agenzia per la Protezione dell’Ambiente degli Stati Uniti), può essere interpretato e visualizzato utilizzando un codice colore standardizzato. Allo stesso modo, esiste una classificazione basata sulla concentrazione di CO2 nell’aria interna.
Indice di classificazione della qualità dell’aria (IAQ)
Classificazione dei livelli di CO2 per il benessere umano
Gli studi TEAM (Total Exposure Assessment Methodology) dell’EPA hanno rilevato che le concentrazioni di circa una dozzina di inquinanti organici comuni sono da due a cinque volte più alte all’interno delle case rispetto all’esterno. Questo vale sia che le case si trovino in aree rurali che in aree altamente industrializzate.
Altri studi del TEAM suggeriscono che le persone possono esporre se stesse e gli altri a livelli molto elevati di inquinanti quando utilizzano prodotti contenenti sostanze chimiche organiche. Inoltre, le concentrazioni elevate possono essere presenti nell’aria anche molto tempo dopo la fine dell’attività.
Sensori dell’aria ambiente con intelligenza algoritmica
Il numero di produttori di sensori COV altamente integrati è gestibile. Non sorprende quindi che nella moltitudine di dispositivi per il monitoraggio dell’aria ambiente oggi disponibili, i sensori siano degli stessi produttori. Grazie all’integrazione di diversi sensori in un unico chip, ora è possibile misurare la temperatura ambiente, l’umidità relativa e la pressione dell’aria con sufficiente precisione, oltre a rilevare i composti organici volatili.
Tramite semplici interfacce, i valori grezzi possono essere messi a disposizione di un microcontrollore e quindi elaborati in modo intelligente. Grazie ad algoritmi intelligenti, il sensore può essere calibrato automaticamente in base al rispettivo ambiente di lavoro e quindi fornire una valutazione più stabile della qualità dell’aria in base al luogo di utilizzo, indipendentemente dal fatto che sia installato in una cucina, in un soggiorno o in un magazzino.
Casi d’uso per il settore del riscaldamento e della climatizzazione
Il numero di prodotti per il monitoraggio dell’aria negli ambienti, che è aumentato drasticamente nel corso della pandemia di Corona, è solitamente finalizzato alla sola visualizzazione della qualità dell’aria negli ambienti (IAQ) o della concentrazione di CO2. A seconda dell’apparecchiatura, queste possono essere azionate con soglie di allarme regolabili e corrispondenti allarmi visivi e/o acustici.
Se i valori limite critici vengono superati, è il momento di effettuare un ricambio d’aria attraverso la classica ventilazione a finestra (ventilazione d’urto). Anche l’ultimo “fannullone della ventilazione” si rende chiaramente conto della necessità e dell’efficacia di una ventilazione regolare quando osserva l’andamento dell’indice di IAQ o della concentrazione di CO2.
La vendita di apparecchiature per il monitoraggio dell’aria interna è sicuramente redditizia, anche se competitiva. Per i produttori del settore del riscaldamento, del condizionamento e della ventilazione (HVAC), integrare la funzionalità nei loro sistemi e commercializzarla come elemento di differenziazione potrebbe essere un’alternativa intelligente.
Esempio di applicazione di un sensore integrato per la qualità dell’aria: Termostato ambiente °C-Lite per pannelli radianti. A sinistra: Stato di standby con indicazione a colori della IAQ. A destra: vista dettagliata dei valori del sensore
Oltre al monitoraggio, la CO2 e/o l’Indice di Qualità dell’Aria possono essere integrati nella tecnologia di controllo come variabile di controllo per un’ampia gamma di applicazioni HVAC. È possibile, ad esempio, integrarli in un sensore e in un elemento di controllo per sistemi di ventilazione decentralizzati come i fan coil, che possono fornire una ventilazione residenziale automatizzata e a risparmio energetico in base all’indice IAQ.
Qui puoi trovare anche una raccolta di altri esempi di applicazione dei sensori di qualità dell’aria in sistemi HVAC come termostati ambiente, pompe di calore o caldaie a gas, sistemi di ventilazione, sistemi di riscaldamento a pannelli e molto altro ancora.
 | Informazioni sull’autoreCome ingegnere elettrico, Andreas Hölscher vanta molti anni di esperienza nello sviluppo di software e hardware e nella realizzazione di complessi sistemi di automazione. In SOREL è la persona di riferimento per i nostri clienti nel campo dell’automazione dei sistemi HVAC.
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