הנדסת ניטור איכות אוויר פנים (IAQ‏) עבור בניינים מודרניים עם חיישנים מתקדמים משולבים

בין הבית, המשרד ובית הספר, אנשים מבלים זמן רב בתוך בניינים. על פי הסוכנות להגנת הסביבה של ארה"ב (EPA), אמריקאים מבלים כ-90% מזמנם בתוך בניינים, שם ריכוז המזהמים גבוה פי שניים עד חמישה מאשר בחוץ. על פי ה-EPA, רוב המזהמים המשפיעים על איכות אוויר פנים - Indoor Air Quality‏ (IAQ) - מגיעים ממקורות בתוך בניינים אלה, אם כי חלקם יכולים לנבוע גם מבחוץ.

מכיוון שאיכות האוויר קשורה ישירות לבריאות האדם ולרווחתו, ניטור IAQ‏ הפך לחשוב ושכיח יותר ויותר. דרישות רגולטוריות מעוררות עוד יותר עניין בפתרונות אלה, המתאפשרות הודות להתקדמות בחיישני איכות אוויר.

מקורות זיהום פנים וחוץ

מקורות אופייניים התורמים לזיהום אוויר פנים כוללים עשן טבק, מכשירים ביתיים שורפי-דלקים, קמינים שורפי-עץ ופחם, חומרי בניין וריהוט, כמו גם מוצרים ביתיים כמו חומרי ניקוי, צבעים ומטהרי אוויר. בעוד שעשן ואש יכולים לשחרר פחמן חד-חמצני (CO), תחמוצות חנקן (NOx) וחלקיקים (PM) ישירות לסביבת הפנים, מוצרים ביתיים יכולים להכניס כימיקלים רבים ושונים ישירות לאוויר הפנים, כולל תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs).

לחות יחסית (RH) וטמפרטורה נחשבות גם הן לפרמטרים חשובים של איכות האוויר משום שהן משפיעות על נוחותו של האדם, בריאותו ורמות מזהמים אחרים באוויר.

מבחוץ, מזהמי אוויר כמו עשן מארובות יכולים לחדור שוב לבתים דרך חלונות, מערכות אוורור וסדקים במבנים, בעוד שראדון המגיע מיסודות מבנים יכול גם הוא לחדור דרך סדקים או פערים. כימיקלים נדיפים באספקת מים עלולים גם לזהם את אוויר הפנים כאשר דיירי הבניין משתמשים במים למקלחת, בישול וניקיון. יתר על כן, כאשר אנשים נכנסים לבניינים, הם מבלי משים מכניסים לכלוך ואבק על נעליהם ובגדיהם, יחד עם מזהמים הנצמדים לחלקיקים אלה.

בנוסף, ישנם מזהמים ביולוגיים באוויר הפנים כגון וירוסים וחיידקים, קשקשי בעלי חיים, אבק בית, קרדית, ואבקות הנוצרות על ידי בני אדם, בעלי חיים וצמחים.

סכנות בריאותיות מזיהום אוויר

איכות אוויר טובה היא קריטית עבור בריאות האדם. איכות אוויר ירודה עלולה לגרום לבעיות החל ממחלות נשימה ועד עייפות ואלרגיות, כולל גירוי בעיניים, באף ובגרון. בעיות בריאותיות חמורות נוספות הקשורות למזהמי אוויר פנים הן מחלות לב וסרטן.

הקשר בין מזהמים נפוצים בתוך בית כמו ראדון, CO2 וחיידקי לאגיונלה לבין בעיות בריאות ידוע היטב. לדוגמה, ראדון, חומר מסרטן ידוע בבני אדם, הוא הגורם המוביל לסרטן ריאות בקרב לא-מעשנים. חשיפה קצרת-טווח לרמות גבוהות של CO בסביבות פנימיות עלולה להיות קטלנית. בנוסף, מקרים של מחלת הלגיונרים, סוג של דלקת ריאות הנגרמת מחשיפה לחיידק לאגיונלה, נקשרו לבניינים שבהם מערכות מיזוג אוויר או חימום, אמבטיות חמות וצנרת מתוחזקים בצורה גרועה.

תקני בנייה בריאים ועמידה בהם

מספר תקנים נקבעו במהלך השנים כדי להנחות את הניטור והתחזוקה של איכות אוויר פנים. חשוב להקפיד על אלה ככל האפשר, הן עבור בעלי בנייני מגורים והן עבור בעלי בניינים מסחריים, על מנת להבטיח את רווחתם של הדיירים.

סוכנויות המספקות הנחיות כאלה כוללות את ה-EPA האמריקאי, ארגון הבריאות העולמי (WHO), מינהל הבטיחות והבריאות התעסוקתית (OSHA), האגודה האמריקאית לחימום, קירור ומיזוג אוויר (ASHRAE) ומכון הבנייה WELL. תקני בנייה ידועים הדורשים מערכות לניטור ותחזוקה של IAQ‏ טוב כוללים את California Title 24‏ (24‏ CA‏), אשר פותחו על ידי נציבות האנרגיה של קליפורניה, ומערכת הדירוג מנהיגות בתכנון אנרגיה וסביבה (LEED‏) של מועצת הבנייה הגלובלית של ארה"ב (USGBC‏). תקן RESET Air, בפרט, הוא מדד מוכר עולמית עבור ניטור והרשאה של IAQ‏, המתמקד במדידה בזמן-אמת של פרמטרי IAQ‏ חשובים.

חיישנים הכל-באחד המנטרים במדויק את זיהום האוויר

עבור יצרני חיישנים כמו Sensirion‏, עמידה בתקני בנייה רלוונטיים היא חובה על מנת לעמוד בציפיות השוק. כתוצאה מכך הם תכננו ובנו מוצרים התואמים עם RESET‏, WELL‏, CA24‏ ו-LEED‏. יתר על כן, בניגוד למוצרים מסורתיים הדורשים מספר חיישנים עבור ניטור פרמטרי IAQ‏, Sensirion‏ פישטה את המשימה על ידי פיתוח פתרון משולב במודול קומפקטי קל למימוש, פלטפורמת החיישנים SEN6x‏ (איור 1).

באמצעות אלגוריתמים משולבים, הוא מסוגל למדוד עד תשעה פרמטרי סביבה, כולל PM1‏, PM2.5‏, PM4‏, PM10‏, RH‏, טמפרטורה, אינדקס VOC‏, NOx‏, פחמן דו-חמצני (_2‏CO‏), ו/או פורמלדהיד (HCHO‏).

איור 1: פלטפורמת החיישנים SEN6x הכול-באחד מסוגלת למדוד עד תשעה פרמטרי סביבה. (מקור התמונה: Sensirion AG)

הרכיב העיקרי של מודול SEN6x הוא יחידת חישת PM‏ במערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) ממוזערת, הנקראת SPS6x‏. הסידור הגיאומטרי המוגן בפטנט שלו, טכנולוגיית ה-MEMS המתקדמת וטכניקות המארז מאפשרים שילוב של מקור האור, גלאי, עיבוד אותות ואלגוריתם בתוך פתרון קומפקטי, יעיל וחסכוני עבור מדידת PM1‏, PM2.5‏, PM4‏ ו-PM10‏. האלגוריתמים המובנים מנתחים את האור המפוזר כדי לקבוע את פיזור גודל החלקיקים ואת ריכוז המסה שלהם. חישת PM חדשנית בגודל-שבב, בשילוב עם זרימת מעטפת מוגנת בפטנט, מאפשרת לחיישני SEN6x להעניק הגנה מפני אבק ואריכות ימים שאין כדוגמתם תוך צריכת הספק נמוך ביותר.

הדגם העיקרי הזמין בסדרה זו הוא ה-SEN66‏, היכול למדוד PM‏, RH‏, טמפרטורה, VOC‏, NOx‏, ו-_2‏CO‏. כדי לאפשר למשתמשים לקבל קריאת טמפרטורה מהירה ואמינה יותר ממודול החיישן המשולב, ה-SEN66 מממש את מנוע Sensirion Temperature Acceleration Routine‏ (STAR‏) הקנייני. מנוע זה מעריך באופן דינמי את ערך הטמפרטורה לפני שהמוצר הסופי מגיע למצב יציב מבחינה תרמית.

עבור פיתוח יישומים, Sensirion‏ מציעה את ערכת ההערכה SEK-SEN66‏ (איור 2). הוא מגיע עם צומת חיישן משולב SEN66 למדידת מספר מזהמים, כבל מתאם וסט חוטי מגשר עבור בניית אב-טיפוס.

איור 2: ערכת ההערכה SEK-SEN66 כוללת את מודול החיישן המשולב, כבל מתאם וסט חוטים מגשרים עבור חיבורים ובניית אב-טיפוס. (מקור התמונה: Sensirion AG)

על מנת להשתמש בתוכנת ControlCenter‏ הידידותית-למשתמש של Sensirion, על המשתמש לרכוש בנפרד את SEK-SensorBridge‏ (איור 3), המספק את הממשק בין החיישן למחשב מארח.

איור 3: ה-SEK-SensorBridge הוא כלי הממשק האוניברסלי של Sensirion עבור הערכת החיישנים שלה. (מקור התמונה: Sensirion AG)

המדריך הטכני של SEK-SensorBridge מסביר את החיבור הפיזי של לוח ההערכה של החיישן ל-SensorBridge באמצעות הכבל המתאם, ואת החיבור ל-PC‏ באמצעות כבל USB.

חיישני IAQ‏ בדידים

Sensirion‏ מציעה גם מספר חיישני _2‏CO‏, RH‏ וטמפרטורה בדידים. עבור ניטור _2‏CO‏, קיימים שני דגמים בולטים, ה-SCD43‏ וה-STCC4‏ (איור 4). בעוד שה-SCD43 הוא חיישן _2‏CO‏ אינפרה-אדום לא-מפזר (NDIR) פוטו-אקוסטי, ה-STCC4 מממש טכניקות חישת מוליכות תרמית. חיישן ה-STCC4, המתויג כחיישן _2‏CO‏ של הדור-הבא, הוא עם חתימת-השטח הקטנה ביותר של היצרן (4 מ"מ x‏ 3 מ"מ x‏ 1.2 מ"מ) עבור אינטגרציה בתוך התקנים אלקטרוניים קומפקטיים.

איור 4: ה-STCC4 מציע את אחד מגורמי הצורה הקטנים ביותר עבור התקנים אלקטרוניים קומפקטיים. (מקור התמונה: Sensirion AG)

עבור יישומים המתמקדים בפרמטרים של טמפרטורה ולחות יחסית (RH‏) ביישומי פנים, סדרת SHT4x‏ הבדידה מציעה דיוק גבוה עם צריכת הספק מופחתת. תפורים עבור התקנים ניידים מוזני-סוללות, הם גם תואמים לתקני RESET ו-WELL.

סיכום

כדי לפשט את ההערכה והיישום של מנטרי איכות אוויר פנים (IAQ), מומחית החיישנים Sensirion פיתחה פתרונות הכל-באחד המשלבים מספר חיישנים עם אלגוריתמים ותוכנה. פתרונות אלה מאפשרים מדידה מדויקת של מגוון רחב של פרמטרים של איכות אוויר באמצעות מודול קומפקטי יחיד. מלבד הורדת העלויות וקיצור זמן היציאה לשוק, מודולי החיישנים המשולבים גם צורכים פחות אנרגיה. במקביל, Sensirion‏ מציעה חיישנים נפרדים הבולטים בגודלם הקטן, דיוקם הגבוה, יציבותם לטווח ארוך וקלות האינטגרציה שלהם.