借助传感器改善室内空气质量
发布于2024-07-11
随着气候变化持续使地球变暖，以及在更炎热、更干燥的气候条件下森林火灾频发，空气质量指数 (AQI) 已经成为全球天气预报中的常规要素。空气质量指数反映了空气中颗粒物（如灰尘和汽车尾气）与其他污染物的含量，以便在这些污染物浓度达到人类接触危险浓度时发出通知。空气质量指数通常用来描述室外空气质量，那么室内空气质量该如何描述呢？
通常情况下，不健康的室外空气质量不需要通过技术手段就可以发现（例如空气中存在烟雾或强烈气味），但室内空气质量问题却不那么容易被察觉。如果你一天中大部分时间都待在家中、学校或办公楼，那么室内空气质量比室外空气质量更有可能影响你的健康。
虽然室外空气污染也会影响室内空气质量，但有几种常见的室内空气污染物只能通过空气质量监测技术才能检测出来并加以量化。可在室内空气中检测到的污染物有一氧化碳 (CO)、二手烟、空气中的霉菌或细菌等，反复接触这些污染物会严重危害健康。员工和学生的健康与安全是任何公司或机构的首要责任，监测室内空气质量是维持室内环境安全和健康的重要组成部分。这也能带来更高的生产率和更好的工作场所精神面貌。
Sensirion SEN5x等传感器节点可帮助监测室内空气质量，通过实时测量空气污染物，增强现有供暖、通风、空调 (HVAC) 和空气净化系统的功能，为最终用户提供准确、可靠的测量结果，而无需大量的重新配置工作。本文中，我们将探讨一些常见的室内污染物，以及诸如SEN5x等器件如何帮助最终用户让他们的场所保持健康和高效。
测量空气质量
如上所述，最常见的空气污染物是颗粒物，也就是固体物质的微小颗粒。它们通常由燃烧产生，我们经常会无意识地吸入。当室外空气充斥高浓度的颗粒物时，一般会建议人们呆在门窗紧闭的室内，如果不得不长时间呆在户外，则建议佩戴防颗粒物口罩。许多家庭、学校和办公楼都安装了空气过滤系统，以过滤空气中的颗粒物。尽管如此，空气中总还是会存在少量颗粒物（除非在洁净室环境中）。
室内空气质量经常会受到其他空气污染物（如气体）的影响，如果不加以适当监测，这些污染物会导致严重的健康问题。空气中的高浓度一氧化碳会导致严重疾病、失去意识，甚至死亡。一氧化碳相关疾病和死亡通常与使用燃烧化石燃料的加热设备或其他器具有关；不完全燃烧会产生一种无色、无味的气体，若通风不充分，这种气体会在建筑物和结构中积聚。
空气中的二氧化碳 (CO2) 浓度也必须要进行监测。虽然接触二氧化碳的不利影响通常不像接触一氧化碳那么严重，但它们也可能会产生长期的影响。在富含二氧化碳的环境中，人们通常会比平时更困倦，并可能感到头痛和恶心。目前，美国有38个州以及哥伦比亚特区通过法规要求在所有私人住宅中安装CO/CO2探测器，但只有5个州要求在学校建筑中安装这些探测器。一氧化碳中毒通常发生在狭小、封闭的环境中，因此大型办公楼或制造设施通常不需要一氧化碳监测器。测量二氧化碳浓度则是设施管理人员评估其暖通空调系统性能的一种方式，因此有效的二氧化碳检测和监测可对室内空气质量产生广泛的影响。
霉菌和霉菌孢子是另一种常见的空气污染物，通常由湿气引起，而且往往难以被发现。房主和设施管理人员可以通过监测室内湿度和凝结程度来采取预防措施，防止霉菌在触及不到的空间中繁殖。过多的水分也会滋生空气中对人体有害的细菌，这也是密切监测室内湿度水平的一个原因。
挥发性有机化合物 (VOC) 几乎存在于任何人们生活或工作之处的室外空气中，但它们在室内往往浓度更高。VOC是由化学品或其他液体或固体物质排放出来的气体。它们存在于各种各样的商品中，从清洁用品和油漆到办公设备和家具材料。降低VOC接触风险的措施不外乎有适当储存有害物质以及改善整体气流和通风。然而，空气中某些挥发性有机化合物（如甲醛）即便浓度较低也有害健康。
在一些使用因安全问题已被广泛禁止的材料建成的结构中，依然可以检测到氡和石棉等致癌物。虽然长时间接触这些物质对健康的不良影响可能不像接触一氧化碳那么立竿见影，但它们可能同样严重，甚至致命。接触氡和石棉已被确定会增加患肺癌的概览。
空气质量监测技术
空气质量监测仪并非一款产品走天下；它们具有不同的外形尺寸以及各种特性和功能。根据安装位置和环境的不同，使用尺寸较小的空气质量监测仪可能会更有优势，但与此同时也可能牺牲功能性。此外，大多数空气质量传感器只能检测到一部分空气污染物，需要结合使用多种传感器才能检测到所有污染物。
Sensirion SEN5x环境传感器节点可以监测空气中的颗粒物、挥发性有机化合物、氮氧化物以及相对温度和湿度。SEN5x通过发射激光并通过设备中的光电二极管检测颗粒物反射光的方法来测量空气中的颗粒物。反射到光电二极管的光越多，就表明颗粒越大。这种方法提供的读数比采用锥形振荡元件的设备提供的读数更加精确，后者只能适用一定大小的颗粒物。同时，光探测通常在采样周期开始后几秒钟内便可提供更加精确的测量。
SEN5x是一款53mm×44mm×22mm小尺寸器件，通过以一秒或更短的时间间隔对空气中的污染物进行采样，从而提供连续、实时的空气质量监测。SEN5x是一款包含诸多传感器的完备传感器节点，外壳采用鞘流技术，表现出更高的防尘和颗粒物抵抗能力，使其能够在工厂或生产设施等更恶劣的室内环境中发挥作用。SEN5x节点还包含采用经过测试的气流几何形状的风扇，以帮助保持良好的功能以及延长器件的使用寿命，其寿命预计超过十年。当传感器处于测量模式时，风扇可执行自动清洁功能，以排出收集的灰尘和颗粒。如果传感器节点位于高污染区域，也可调整清洁周期的间隔。
SEN5x节点配备I²C接口，可轻松集成到现有的暖通空调、空气净化以及空气质量监测系统中，避免昂贵、耗时的重新配置工作。这些器件还预集成了专有的温度和湿度补偿算法以及VOC指数计算功能，以进一步促进与现有系统无缝集成，省去开发人员自己编写代码的麻烦。这些算法包括Sensirion温度加速程序 (STAR) 引擎，根据Sensirion的报告，该引擎为最终用户提供的温度读数比竞争产品快三倍，可靠性也更胜一筹。SEN5x节点在安装后可提供完全校准的数字输出，并且可以在50ms以内重新启动，缩短了与其他空气质量检测仪相关的校准和启动时间。
SEN5x节点通常只消耗0.7mA到70mA的电源电流，最大电流为100mA，有望为客户节省重新布线或重新配置现有电气设置的费用。这些器件的平均声发射水平仅为24dB，因此不会产生干扰，即便是非常安静的工作环境也不会受其影响。
空气质量、健康和生产力
尽管目前还没有公认的健康空气质量标准，但美国环保局 (EPA) 和疾病控制中心 (CDC) 等机构已经帮助制定了一套关于常见空气污染物安全接触浓度的推荐指南。空气中的化学污染物如CO或CO2的测量单位为百万分之一 (ppm)。室内环境的二氧化碳浓度在400ppm至650ppm之间被视为正常水平，浓度达到800ppm或更高时可能会开始产生不利影响。空气中的高浓度二氧化碳不仅有害健康，而且还会严重影响工作效率。
如果你曾身处拥挤、闷热的房间，可能会熟悉这种感觉：你的眼皮开始变沉，房间里的其他声音变得像背景噪音一般，恍恍惚惚进入神游状态。也许开会本就无聊，但你依然会感受到过度接触二氧化碳的影响。研究表明，空气中的二氧化碳浓度与工作效率和精神面貌直接相关；也就是说，通风效果越好，员工就越快乐，工作也就越努力。基于这种逻辑，赌场会监测二氧化碳浓度，以确保他们的顾客不会太疲劳，甚至向建筑内泵入氧气以使他们精力充沛。
还有些空气污染物只有在极低浓度下才安全（如甲醛，建议接触量不超过0.2ppm），或者在任何浓度下都不安全（如氡或石棉纤维）。空气中的颗粒物测量单位是微克每立方米 (µg/m3)。EPA建议PM2.5（直径不大于2.5微米的颗粒物质）浓度保持在12µg/m3以下，PM10（直径大于10微米的较大颗粒物质）浓度保持在54µg/m3或以下，这是因为，相比更小的颗粒物，人体肺部更容易从空气中过滤掉更大的颗粒物。
保持暖通空调系统在良好状态下运行，还有助于防止新冠病毒等空气传播疾病的传播，可帮助公司节省因病假和生产力下降而损失的时间和金钱。能够检测空气中病原体的空气质量监测仪目前尚未在市场上广泛销售，但监测二氧化碳等空气污染物也有助于改善整体气流和通风，降低疾病传播的风险。
结语
保持健康的空气质量对于营造安全、健康的工作或学习环境至关重要。强大的暖通空调和空气净化系统需要借助传感器来向设施管理人员告知其运行情况以及如何进行改进。诸如Sensirion SEN5x等传感器节点以极高的精度实时提供这些信息，为最终用户提供必要时进行环境调整所需的数据，而且这些器件都可以轻松集成到现有系统中。无论是在家中、学校、办公室还是制造工厂，空气质量监测对健康和福祉都至关重要，而诸如SEN5x等空气质量传感器节点对于获取及时、可靠的读数不可或缺。