La monitorización de la calidad del aire interior como herramienta de evaluación y mejora de la salubridad de un espacio

Comunicación presentada al VII Congreso Edificios Energía Casi Nula

Autores

• María Figols González, Arquitecta Técnica e Ingeniera de Edificación, Project Manager inBiot Monitoring
• Xabier Aláez Sarasibar, Ingeniero Industrial, CEO y CTO, inBiot Monitoring

Resumen

La calidad del aire interior es un factor fundamental en el ámbito de la salud en espacios interiores. De hecho, respiramos más de 15.000 litros de aire al día, entre un 80 y 90% de las veces en el interior de los edificios según la OMS. Por otra parte, la tendencia constructiva en el ámbito de la eficiencia energética incide en el aumento de la estanqueidad que, sin una adecuada renovación de aire basada en las condiciones de uso y no en perfiles prefijados, puede derivar en una mayor concentración de contaminantes interiores. La monitorización continua de la calidad del aire se presenta como la herramienta básica que permite evaluar los datos en el tiempo para una evaluación de las pautas de uso, del perfil de ocupación, el tipo y grado de contaminación (de fondo, puntual), su periodicidad y el potencial de mejora de un espacio.

Palabras clave

Calidad Aire Interior; ventilación; monitorización; salubridad; edificios, ambiente interior, bienestar

Introducción

La calidad de los espacios que habitamos y su aire interior son, sin duda, factores clave para nuestra salud [1], [2], [3]. Múltiples campañas, como la denominada BREATH LIFE de la OMS, señalan que una de las problemáticas más acentuadas de la sociedad actual urbanita es la calidad del aire que se respira.

Pasamos entre el 80 al 90% de nuestro tiempo en el interior de espacios cerrados, de acuerdo con la OMS, donde la calidad del aire es, según la EPA (Environmental Protection Agency de los EE. UU.), del orden de 2 a 5 veces peor que en el exterior. Esto principalmente se debe a que a los contaminantes exteriores se le añaden los interiores, produciendo una notable disminución de una calidad del aire que ya es deficitaria en el exterior. Sus efectos sobre la salud van desde una simple sensación de somnolencia, cefaleas, irritaciones nasales y/o oculares, pudiendo derivar en procesos alérgicos e hipersensibilidades. También puede reforzar su efecto sinérgico con otras enfermedades ambientales y que afectan a la productividad de las personas es su entorno de trabajo, a su capacidad de desempeño y creatividad y, por lo tanto, también a su confort y bienestar.

El confort térmico, en general, juega un papel importante en la forma en que experimentamos los espacios donde vivimos, aprendemos y trabajamos, y también tiene implicaciones directas en la productividad y la salud de sus usuarios.

Tanto la directiva europea EPBD – Energy Performance of Buildings Directive, como su transposición a las normativas nacionales con el concepto de “edificio de consumo de energía casi nulo (ECCN), exigen un aumento de la estanqueidad de los edificios, de forma que la renovación de aire queda exclusivamente en manos de la ventilación y su regulación. El uso de materiales de construcción que limiten las emisiones de contaminantes al aire interior debería ser el punto de partida; y la renovación de aire, estar basada en el perfil de uso. No obstante, tanto la manera de ventilar, como la regulación y medición de los sistemas actuales de ventilación, no es la adecuada.

Es por lo tanto necesario el seguimiento continuo de la evolución de la calidad del aire interior, que permita analizar patrones de comportamiento y así conocer la pauta de uso, el perfil de ocupación, el grado y fuente de contaminación, así como el potencial de mejora de un espacio en materia de calidad del aire interior. La evaluación del comportamiento del edificio es muy variable en función del uso (hábitos de climatización y ventilación, productos de higiene y limpieza, materiales de construcción, acabado y equipamiento, etc) y sólo el estudio de la evolución en el tiempo garantiza esta información.

El proyecto

La calidad del aire interior es el hilo conductor del presente proyecto. La ampliación de la tradicional medición del confort termohigrométrico a la medición y monitorización de otros parámetros de contaminación química que igualmente condicionan la salubridad de los espacios, son la base y referencia para analizar la metodología disponible. De esta manera revisar las recomendaciones y valores normativos, y plantear actuaciones donde la salud y la seguridad sean el objetivo prioritario. Respiramos más de 15000 litros de aire al día; es hora de poner el foco en la calidad del aire que determinará nuestra salud, nuestra capacidad de desempeño y nuestro bienestar.

Los 3 pilares innovadores en los que se fundamenta el proyecto se basan en la utilización de tecnología de monitorización de calidad del aire interior de la empresa inBiot Monitoring S.L. fundamentada en los siguientes criterios:

• AMPLIACIÓN DEL CONCEPTO IAQ: al margen de la medición de temperatura y humedad relativa, se utilizan dispositivos de monitorización continua de la calidad del air interior MICA (Montitor Inteligente Calidad Aire, de inBiot Monitoring S.L.) que pueden incorporar otros parámetros de contaminación química que determinan la biohabitabilidad del lugar seleccionado. Además de temperatura y humedad relativa recogen, la concentración de CO₂, el formaldehído, los compuestos orgánicos volátiles, las partículas en suspensión (PM2.5/PM10), el ozono, el monóxido de carbono o el radón.
• MONITORIZACIÓN CONTINUA: la evaluación continua en el tiempo del IAQ permite conocer el perfil de uso y ocupación de un espacio para analizar el tipo de contaminación detectada y establecer pautas de mejora para valores monitorizados fuera de rangos.
• PLATAFORMA IoT Y ANÁLISIS DE DATOS: la gestión en tiempo real de la información monitorizada se realiza a través de plataforma en la nube My inBiot, complemento de los dispositivos de monitorización desarrollados por inBiot Monitoring S.L. Esta plataforma ofrece información clara y accesible, evolución de los parámetros monitorizados, información personalizada sobre cada sensor y pautas de actuación, gracias a su tecnología de análisis y visualización de datos.

Material y método

Métodos de medición y monitorización

La medición de la calidad del aire interior ha seguido tradicionalmente un protocolo estandarizado para su evaluación a través de la medición directa y/o la utilización de técnicas de laboratorio como detectores de ionización de llama o cromatografía de gases-espectrometría de masas, que proporcionan una forma precisa de identificar gases específicos dentro de una muestra de aire.

Sin embargo, en mediciones donde la variación diaria es significativa, como puede ocurrir en espacios interiores, resulta aún más significativo evaluar la evolución en el tiempo de la calidad del aire. Una película aporta más información que un solo fotograma.

La monitorización continua de los datos durante un tiempo determinado (preferiblemente varias semanas), permite evaluar de una manera más fiable las pautas de uso, el perfil de ocupación, el tipo y grado de contaminación (de fondo, puntual), su periodicidad y el potencial de mejora de un espacio. Las estrategias de mejora se determinarán en función de los valores monitorizados y los riesgos detectados en cada caso. Si el confort termo-higrométrico es inadecuado será necesaria la revisión y ajuste del sistema de climatización, su control, regulación, la necesidad de humidificación o deshumidificación, pudiendo incluso calcular la cantidad de vapor de agua que un espacio necesita aportar o eliminar para unas condiciones de confort determinadas y elegir el dispositivo o sistema específico para este uso. La monitorización de la concentración de CO₂ permite evaluar la eficacia del sistema de ventilación y programar su regulación en función de su concentración. La evolución y pautas detectadas en relación con el resto de los parámetros que determinan la contaminación química, permiten la prescripción de purificadores de aire con filtros de alta eficiencia y adsorbentes para la reducción de contaminantes gaseosos (formaldehído, COVs, etc.), la implementación de sistemas de fitorremediación, aplicación de radiación ultravioleta o cualquier otra estrategia enfocada a la reducción de las fuentes de contaminación.

Valores de referencia

Establecer unos valores de referencia es otro de los aspectos clave para el diagnóstico de la calidad del aire, ya que definir qué valores son óptimos requiere una revisión de la normativa existente y de las recomendaciones que desde la perspectiva de la salud se ofrecen en instituciones privadas y/o públicas.

No existe requerimiento legal, ni consenso legislativo sobre los valores de referencia para la salud en espacios interiores. La base legislativa es, por un lado, las recomendaciones higrotérmicas del RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas) y las exigencias básicas de salubridad del CTE, sin embargo, no se especifican valores de emisiones al aire interior en el ámbito de la contaminación química en entornos residenciales o educativos, por ejemplos, por lo que se recurren generalmente, sin perspectiva legislativa, a las recomendaciones genéricas de la OMS.

Por otro lado, en ámbitos profesionales se toman como referencia los valores límite de exposición profesional del INSST (Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo), con recomendaciones y valores límite en sus Normas Técnicas de Prevención, aunque siempre en el ámbito de la higiene industrial y laboral, y no tanto en el de la prevención de la salud en concentraciones continuas en el tiempo a bajas dosis.

La norma UNE 171330 recoge en su tabla A.2 – valores de referencia, los criterios de confort y máximos aceptables, como recomendación legislativa, basados en los VLA (Valores Límite de Exposición Ambiental) del INSHT o recomendaciones de la OMS según parámetros – que sirven exclusivamente para la evaluación y el control de los riesgos por inhalación de los agentes químicos siendo su base de datos RISCTOX una excelente referencia para la evaluación de la peligrosidad de compuestos químicos específicos.

Resultados

La metodología propuesta se verifica en la monitorización de dos edificios de usos complementarios, que permiten la obtención de datos y comprobación del estado de la calidad del aire interior, tanto a nivel residencial, como a nivel de uso terciario (oficinas). Los edificios monitorizados se recogen a continuación:

• Edificio de oficinas: monitorización de tres espacios abiertos de 250, 335 y 335 m², y 37, 54 y 54 personas de ocupación por planta respectivamente. Edificio de construcción y estructura convencional, sistema de climatización y renovación de aire centralizado.
• Vivienda de alta eficiencia energética: vivienda de 80 m² reformada en su totalidad, con modificación de distribución y criterios de alta eficiencia energética. Test de estanqueidad n50, de 0,38 renov/hora, sistema de ventilación mecánica de doble flujo con recuperador de calor y suelo radiante como sistema de calefacción.

Edificio de oficinas

A partir de la monitorización de la calidad del aire en estas oficinas se detecta una caída progresiva en la humedad relativa interior, causa directa de disconfort, por su contribución a la irritación y sequedad de las mucosas respiratorias y oculares y una mayor proliferación de polvo y partículas en suspensión.

A partir de los datos monitorizados y su visualización en gráficas de semana tipo, se analizan las medias horarias y diarias y se calculan los tiempos de exposición e indicadores específicos de cada uno de los parámetros monitorizados: temperatura, humedad relativa, CO₂ y formaldehído.

La información revela un exceso de temperatura interior (el percentil 75 en todos los espacios monitorizados está entre 23 y 24ºC, superando el rango de recomendación de RITE para el invierno de entre 21 y 23ºC), así como una humedad relativa inferior al 40% el 95 % del tiempo de ocupación, con valores medios en torno al 30% de humedad relativa (HR) y mínimos cercanos al 25%.

Las estrategias empleadas para la mejora del ambiente interior en estas oficinas se basan en las siguientes actuaciones:

• Limitar la temperatura de control a 21ºC. El exceso de temperatura interior contribuye a la disminución de la humedad relativa en espacios interiores por sus propias características higrotérmicas.
• Humidificación: se precisa de un dispositivo de humidificación integrado en UTA o evaporativo portátil, con control de humedad máxima.
• Fitorremediación: la fitorremediación es la utilización tecnológica de plantas vivas y microorganismos asociados para el saneamiento ambiental de suelo, agua y aire. Las plantas de interior tienen la capacidad de regular la humedad ambiental por el efecto de la evaporación, disminuyendo los efectos fisiológicos derivados de una baja humedad relativa. La evaporación es el método más importante de perder calor para una planta. Las plantas utilizan una media de aproximadamente un 5 % de la luz para la fotosíntesis. Cerca de un 60 % de la luz que llega a la planta se convierte en calor y debe evacuarse mayormente a través de la evaporación. Se prescriben especies que resistan adecuadamente interiores con baja humedad relativa como la sanseviera trifasciata, la beaucarnea, aspidistras, clivias, phoenix, potos, crasas, o cactus, según zonas por su exposición y grado de iluminación natural disponible
• Mantenimiento: filtros HEPA y criterios de limpieza. Una humedad relativa baja implica una mayor proliferación de polvo en suspensión, por lo que es fundamental el filtro HEPA cuando se empleen aspiradores.

La tecnología utilizada en la monitorización ha permitido, a partir del cálculo de la humedad específica en los espacios monitorizados, seleccionar la actuación de mejora necesaria para mantener unas condiciones de confort higrotérmico ideales de 21ºC y una humedad relativa del 50%. Estas condiciones implican la necesidad de humidificación del ambiente de entre 2,06 a 2,37 l/h según espacio, y se prescribe específicamente un humidificador evaporativo portátil con capacidad evaporativa entre 1,5 y 2 l/h, y, por lo tanto, un funcionamiento puntual, cuando las condiciones interiores lo requieran.

Como valor complementario, la empresa alojada en este edificio tiene mobiliario certificado libre de formaldehído, información que se verifica gracias a la monitorización y valores continuos inferiores a 40 µg/m3.

Rehabilitación de vivienda de alta eficiencia

El presente ejemplo es el de una vivienda reformada en 2016 con criterios de alta eficiencia, situada Logroño.

La vivienda se ha reformado en su totalidad, con modificación de distribución, aislamiento interior de algodón reciclado y trasdosado con cartón yeso con acabado con pintura plástica estándar. El suelo es laminado vinílico imitación madera, colocado flotante sobre lámina antiimpacto, mortero de nivelación y aislamiento de algodón reciclado. El rodapié es de DM lacado y la carpintería de PVC, con vidrio triple.

Durante el trabajo de reforma se realizó la prueba de estanqueidad n50, con un resultado de 0,38 renov/hora. El sistema de ventilación implementado es un sistema de ventilación mecánica controlada de doble flujo con recuperador de calor, rejillas de impulsión y extracción de aire en techo y suelo radiante como sistema de calefacción

Tras varias semanas de monitorización continua, se detectan de manera continuada altos niveles de formaldehído en el interior de la vivienda, con picos que pueden alcanzar los 1.000 µg/m³ y una media diaria por encima de 150 µg/m³ (cuando los valores recomendados por la OMS no deberían superar los 100 µg/m³). A pesar de disponer de un sistema de ventilación controlada continua, éste no es capaz de reducir los picos de formaldehído mientras que la ventilación manual con ventanas, sí. La concentración de CO₂ se mantiene en niveles de confort el 96% del tiempo.

Como complemento a la monitorización continua durante 4 semanas de temperatura interior, humedad relativa, CO₂ y formaldehído, se verifican los datos de contaminación química con ensayos de laboratorio específicos, que aporten la concentración exacta de contaminantes en el aire interior. Para ello se realizan tomas de muestras para su análisis en laboratorio que complementen la información monitorizada, mediante análisis específico de concentración de formaldehído, y screening de COVs, para la cuantificación de los tres compuestos orgánicos volátiles presentes en mayor concentración.

En el laboratorio se detecta concentración significativa de formaldehído (89,2 y 18,3 µg/m³ en salón y dormitorio respectivamente), acetato de etilo (18,23 y 22,01 µg/m³) y ciclohexano (20,89 y 18,24 µg/m³), como compuestos significativos, con una concentración superior a los 0,08 µg/m2 – límite de detección del laboratorio empleado. Tanto en el caso del acetato de etilo, como del ciclohexano, se trata de compuestos irritantes y neurotóxicos en concentraciones dentro de valores normativos, pero por encima de valores de recomendación por su riesgo toxicológico (Guidance values – AGÖEF), empleadas principalmente como adhesivos.

La alta volatilidad del formaldehído en un espacio con un sistema de ventilación de doble flujo con recuperador de calor implicaría la reducción de su alta concentración gracias al funcionamiento continuo de la renovación de aire. Sin embargo, los valores monitorizados se mantienen en valores altos o muy altos más del 90% del tiempo de ocupación tanto en el dormitorio como en el salón.

La reacción cruzada del sensor electroquímico (tecnología electroquímica) con otros compuestos implica la presencia de otros compuestos en el aire interior. En este caso, el elevado peso molecular detectado en los principales compuestos del screening de COVs – acetato de etilo y ciclohexano – refleja una presencia de emisiones al aire interior, tanto de formaldehído como de otros COV y que son indicativos de un déficit en el funcionamiento del sistema de ventilación de doble flujo, ya que no es capaz de reducir su concentración en el aire interior de forma continuada.

Debido al diseño de distribución de los conductos de distribución de aire y dado que las bocas de impulsión y extracción del sistema de ventilación están ubicadas en techo en direcciones contrapuestas, y que el dispositivo de monitorización estaba colocado a una altura no superior a 40 cm., se deduce una renovación de aire únicamente del estrato superior del volumen de aire de las estancias.

En este caso, una ventilación cruzada manual con ventanas de manera puntual resulta más efectiva ya que sí que garantiza un barrido del aire de la estancia, eliminando los compuestos de mayor peso molecular, estratificados en la parte inferior del volumen de aire. Es necesaria una revisión de la regulación y diseño del sistema de ventilación.

Las estrategias empleadas para la mejora del ambiente interior en esta vivienda se basan en las siguientes actuaciones:

• Fitorremediación: la utilización tecnológica de plantas vivas y microorganismos asociados para el saneamiento ambiental de suelo, agua y aire, ayuda al filtrado de compuestos orgánicos volátiles y formaldehído continuo en bajas concentraciones. Se aprovecha la capacidad natural de algunas plantas de absorber, concentrar y metabolizar determinados compuestos químicos presentes en el ambiente interior como contaminantes, con concentraciones mínimas de entre el 5-10% de ocupación respecto a la superficie total del espacio, o a partir de 20 plantas de tamaño medio por cada 100 m2 de superficie.
• Purificación del aire: los purificadores de aire son herramientas muy útiles y efectivas para el filtrado de alta eficiencia (HEPA) de partículas en suspensión, polvo o esporas, con el adecuado prefiltro de partículas de gran tamaño, filtro de polen y de polvo grueso. No obstante, para garantizar su eficacia en el filtrado de gases volátiles como COVs o formaldehído se requieren materiales de filtrado con capacidad de adsorción de gases, como puede ser el filtro de carbón activo y zeolita de al menos 6 Kg de peso y filtro HEPA
• Productos de limpieza: la concentración de sustancias volátiles en ambientes interiores requiere de una adecuada regulación de la ventilación, especialmente en viviendas de alta hermeticidad, donde la concentración de sustancias perjudiciales puede ser más significativa. Igualmente, a la toma de conciencia de reducir la presencia de contaminantes y de regular la ventilación en consecuencia, la limpieza tanto diaria, como de mantenimiento esporádico debe ser revisada de manera generalizada. Debe carecer de sustancias químicas potencialmente alérgicas que puedan estar contribuyendo a la contaminación interior, y evitar la presencia de formaldehído, insecticidas o disruptores endocrinos, reduciendo el uso de disolventes, perfumes y fragancias sintéticas o desinfectantes potencialmente sensibilizantes

Discusión y conclusiones

Tradicionalmente, la calidad del aire en los edificios viene determinada por el confort y la eficiencia energética. Las nuevas propuestas de las directivas europeas apuntan a la necesidad de priorizar la salud, un reto cuya relevancia ha sido subrayada por la crisis sanitaria provocada por COVID 19.

En un contexto en el que los edificios deben ser cada vez más inteligentes, se hace necesario disponer de dispositivos fiables, capaces de evaluar la calidad del aire de forma continua, dado que, generalmente, los patrones de evolución de los parámetros aportan más información que una medición puntual de laboratorio. A partir de este análisis, un servicio profesional posterior puede prescribir pautas de actuación y mejora, o determinar la necesidad de ampliar el tipo de ensayos a realizar en un laboratorio especializado, en caso de detectarse cualquier tipo de anomalía.

La película es más relevante que la fotografía puntual, por lo que la monitorización permite obtener información que una medición puntual no garantiza. Ante esta circunstancia, se plantean las tecnologías IoT y la IA como la combinación perfecta para realizar un buen diagnóstico de la salubridad del aire, a través de la captación de datos, análisis y propuesta de soluciones, con posibilidad de regular los dispositivos involucrados.

La dificultad para la medición de los contaminantes en el aire radica en la necesidad de conocer qué compuesto o sustancia se quiere analizar, para poder elegir el método de análisis más adecuado. Sin embargo, la utilización de aparataje de alta precisión, exactitud (y coste) limita el acceso a esta información, por lo que queda relegado a servicios de prevención y no permite la mejora continua y el enfoque hacia el bienestar y la salud de trabajadores y usuarios. La monitorización continua, permite combinar la innovación tecnológica y la salud para identificar el estado de la calidad del aire interior de nuestros edificios, y, por lo tanto, valorar el margen de mejora. Y de esta manera, plantear soluciones específicas y adaptadas a cada proyecto.

La tecnología electroquímica del sensor de formaldehido empleado reacciona a su vez con determinados gases presentes y frecuentes en ambientes interiores, pudiendo ofrecer un valor de medición distorsionado. El sensor es especialmente sensible ante la presencia de alcoholes (etanol), por lo que su presencia en productos de higiene y limpieza implica valores elevados de formaldehído. Sin embargo, esta información siempre es indicativa de presencia de contaminantes en ambientes interiores, como paso previo a un ensayo de laboratorio y como indicador de alarma. En casos como el de la vivienda de alta eficiencia presentada, la monitorización deriva en un ensayo de laboratorio de concentración de formaldehído y screening de compuestos orgánicos volátiles, que complementa la información y que ofrece interesantes resultados sobre el propio diseño de la instalación de renovación de aire y su capacidad de renovar completamente el aire de una estancia.

La calidad del aire en otro tipo de espacios de uso terciario, como pueden ser centros educativos, viene generalmente determinada por su concentración de CO₂, que al mismo tiempo representa la eficacia del sistema de renovación de aire, sea manual o mecánico. Este parámetro es determinante en el confort y desempeño de estudiantes y profesorado, por ejemplo, y dista mucho de estar garantizando niveles normativos y mucho menos, niveles que garanticen espacios saludables.

Finalmente, asegurar una regulación inteligente de los edificios precisa la prevalencia de protocolos abiertos de comunicación que hagan posible la interoperabilidad de los distintos elementos que componen un edificio, siendo la calidad de aire una prioridad para garantizar la salud de sus ocupantes.

Reconocimientos

Este artículo se nutre del trabajo en desarrollo durante 2019 y 2020 de los proyectos de I+D de Gobierno de Navarra “Internet of Buildings” y “BioSmart Ventilation”, del recién estrenado programa NEOTEC 2019 del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial, CDTI, del Ministerio de Ciencia e Innovación, y el ya concluido programa Smart Iruña Lab, del Ayuntamiento de Pamplona, desarrollado durante 2019. Agradecimiento especial a las entidades colaboradoras (Gobierno de Navarra, CDTI, Ayuntamiento de Pamplona), así como a todo el equipo de inBiot Monitoring S.L.

Referencias bibliográficas

• [1] Lévesque B, Huppé V, Dubé M, Fachehoun R.C. Impact of indoor air quality on respiratory health: results of a local survey on housing environment. Public Health, Volume 163, 2018, Pages 76-79, ISSN 0033-3506.
• [2] Wargocki P, Productivity and Health Effects of High Indoor Air Quality. Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences, Elsevier, 2019, ISBN 9780124095489.
• [3] Silvestre, E. Vivir sin tóxicos. Cómo ganar bienestar y salud en tu vida cotidiana. RBA Integral, Barcelona 2014.