Le sfide del rilevamento della CO2

I benefici dell'aria fresca per la salute sono inconfutabili, la sua carenza influisce sulla nostra salute e sulla capacità di concentrazione. Purtroppo, in questo mondo pieno di impegni, pochi di noi riescono a trascorrere all'aria aperta tutto il tempo che vorrebbero. In media, trascorriamo il 90% della nostra vita in ambienti chiusi e la maggior parte di questo tempo lo trascorriamo in casa. Anche se usciamo regolarmente, la maggior parte del tempo che trascorriamo fuori casa lo trascorriamo comunque in un luogo chiuso, come un ufficio, un ristorante o un negozio. Questo dimostra chiaramente l'importanza di un'aria interna di alta qualità e di un corretto monitoraggio dei livelli di CO₂, soprattutto nei luoghi affollati.

Sebbene elevati livelli di CO₂ e cattiva qualità dell'aria non siano sinonimi, l'aumento delle concentrazioni di CO₂ può essere un buon indicatore del fatto che la stanza necessita di una ventilazione supplementare. Inoltre, l'aumento della CO₂ è spesso accompagnato da un aumento delle concentrazioni di composti organici volatili chimici (VOC), poiché entrambi sono emessi dall'uomo. È risaputo che l'aria viziata, in particolare quella ad alto contenuto di VOC, può essere dannosa per la salute e aumentare il rischio di trasmissione di virus a propagazione aerea, come la SARS-CoV-2. Inoltre, la mancanza di aria fresca ha anche un forte impatto sulla produttività e sulla capacità di concentrazione, come dimostrano numerosi studi.

Gli estremi non sono mai positivi e questo vale anche per la ventilazione. I sistemi HVAC che lavorano costantemente al massimo della loro capacità comportano un elevato consumo energetico e, di conseguenza, bollette elettriche esorbitanti, soprattutto nei periodi di grande caldo o freddo. Non sorprende quindi che la ventilazione controllata a richiesta DCV sia attualmente considerata lo standard di riferimento per i sistemi HVAC e che la concentrazione di CO₂ sia spesso utilizzata come parametro di controllo, in quanto strettamente correlata alla qualità dell'aria. Questa applicazione si basa su sensori che forniscono informazioni precise sui livelli di CO₂, attivando il sistema quando viene raggiunto un limite specifico. Sebbene le norme sul comfort varino in tutto il mondo, vige un consenso generale sul fatto che i livelli di CO₂ dovrebbero essere sempre mantenuti al di sotto di 1,000 ppm e non superare i 1,500 ppm per lunghi periodi. Un buon compromesso è quello di misurare e regolare i livelli di CO₂ ogni 30 secondi, in modo da mantenere l'aria fresca e le bollette dell'energia basse.

La struttura di un comune sensore di CO₂ consiste in una sorgente luminosa e due rilevatori (Immagine 1). Quando la luce passa attraverso la camera di misurazione, riempita di aria interna, viene assorbita dalle molecole presenti. Un rilevatore ha un filtro con una finestra a circa 4.3 µm, che corrisponde a un picco nello spettro di assorbimento della CO₂; ciò significa che registra solo l'estinzione della luce dovuta alla presenza di molecole di CO₂. Per contro, il rilevatore di riferimento misura l'intensità luminosa non filtrata, rendendo possibile determinare il livello di CO₂ confrontando le due misurazioni. La struttura a doppio sensore aiuta anche a contrastare il calo di intensità luminosa dovuto al degrado della sorgente luminosa o a piccole particelle di polvere. Per migliorare ulteriormente la robustezza dei sensori, questi dovrebbero essere dotati di una copertura antipolvere che impedisca alle particelle di interferire con i rilevatori.

Sebbene l'approccio a doppio canale sia considerato accurato, da solo non può garantire misurazioni stabili a lungo termine, in quanto la linea di base può iniziare a deviare nel tempo a causa dell'invecchiamento dei componenti del sensore. Questo problema può essere risolto attraverso la correzione automatica della linea di base (ABC), che tiene costantemente traccia della lettura minima del sensore e corregge qualsiasi deviazione rilevata. Questo approccio funziona bene per gli edifici non occupati in determinati periodi di tempo, come per esempio gli uffici che sono chiusi durante il fine settimana. Tuttavia, questa deviazione non è così facile da identificare e affrontare in luoghi occupati 24 ore su 24, 7 giorni su 7, come per esempio i pronto soccorso degli ospedali, i centri logistici o le fabbriche. È quindi fondamentale utilizzare sensori robusti che forniscano misurazioni accurate a lungo termine senza la necessità di una calibrazione costante, permettendone l'utilizzo in tutte le applicazioni, indipendentemente dai modelli di occupazione.

Un sensore ambiente deve essere in grado di misurare con precisione i livelli di CO₂ in qualsiasi condizione, il che significa che deve avere una buona resistenza ai cambiamenti di pressione, temperatura e umidità, sia graduali sia acuti. Occorre inoltre tenere conto delle differenze di pressione alle diverse altitudini, poiché anche un'altitudine di 400 m sul livello del mare comporta uno scostamento di 70 ppm nella concentrazione di CO₂ misurata. Considerando che alcuni enti normativi, per esempio diversi governi statali negli Stati Uniti, ammettono solo una tolleranza di ±75 ppm, ciò non consente quasi alcun margine di errore. Qualsiasi sensore di CO₂ ad alte prestazioni dovrebbe quindi includere la compensazione della pressione assoluta (Immagine 2).

È necessario eseguire test approfonditi per assicurarsi che il sensore possa funzionare in diverse condizioni, al fine di garantire la stabilità e il funzionamento a lungo termine. I sensori dovrebbero quindi essere testati per un periodo prolungato di diverse settimane, coprendo tutte le possibili condizioni atmosferiche e concentrandosi su quelle che notoriamente sottopongono il dispositivo a forti sollecitazioni. Per esempio, le prestazioni del calore umido non condensante possono essere testate a un'umidità relativa del 95% e a 35 °C per garantire che il sensore sia resistente alla corrosione e possa mantenere le sue prestazioni. D'altra parte, le misurazioni con calore secco dovrebbero essere eseguite a temperature più elevate (60-70 °C) per confermare che non si verifichino deviazioni dovute alla differenza dei coefficienti di espansione dei materiali. Poiché anche i gradienti di temperatura interni possono influire sulle prestazioni complessive del dispositivo, gli elementi del sensore devono essere costruiti in modo da ridurre al minimo l'autoriscaldamento.