Use of low cost pollutant sensors for developing healthy demand controlled ventilation strategies - A case study in four primary school classrooms

Abstract

I de fleste industriland står bygg for omlag 40% av det totale energiforbruket, og en betydelig andel av dette går til drifting av ventilasjonsanlegg. Behovsstyrt ventilasjon (DCV) er et tiltak som ofte benyttes for å redusere ventilasjonssystemers energibruk, hvor mengden frisk luft som tilføres bygget tilpasses etter det målte behovet til enhver tid, og reduserte luftmengder dermed leveres en stor andel av tiden. Menneskelig CO2-produksjon er enkel å bruke som indikator på den opplevde luftkvaliteten i et rom, og CO2 er den mest brukte indikatoren for styring av DCV i dag; luftmengdene økes når CO2 nivået øker og vice versa. Imidlertid kan andre forurensende stoffer i inneluften påvirke personers ytelse og helse, og svevestøv og flyktige organiske forbindelser (VOC) kan ha økende nivåer selv i perioder med lav tilstedeværelse. Hvis luftmengder reduseres på grunn av lav tilstedeværelse, kan personer bli utsatt for høye konsentrasjoner av forurensende stoffer med negative helseeffekter. Vanligvis er disse forurensningene ikke implementert i styringen av DCV på grunn av komplekse og dyre målingsteknikker, men i senere tid har teknoligiske framskritt resultert i utviklingen av rimeligere sensorer som måler relevante forurensninger og parametre.

Flere helserelevante forurensninger i inneluft i barneskoleklasserom ble identifisert gjennom litteraturstudier, og de mest relevante forurensende stoffene ble vurdert til å være den flyktige og kreftfremkallende organiske forbindelsen formaldehyd, TVOC (total mengde flyktige organiske forbindelser) og svevestøvfraksjonene PM2.5 og PM10. Anbefalte grenseverdier ble funnet for formaldehyd, PM2.5 og PM10. En anbefalt grenseverdi finnes ikke for TVOC-konsentrasjoner. Sammen med disse nevnte forurensende stoffene ble også CO2, temperatur og luftfuktighet studert i litteraturstudiene. Relevante prekalibrerte, rimelige sensorer for alle nevnte forurensninger og parametre ble valgt, implementert på sensor-rigger og testet, først ved å utføre innledende sensorkalibreringer sammen med referanseinstrumenter med høy ytelse, og så ved å utføre feltmålinger i barneskoleklasserom med CO2-styrt DCV. De valgte sensorene er SCD30 (CO2, temperatur, luftfuktighet), SPS30 (PM2.5, PM10), SGP30 (TVOC) og WZ-S (formaldehyd). TVOC-sensoren ble ikke implementert på sensor-riggene på grunn av dens svært små dimensjoner og problemer med å håndtere disse. Kalibrering av formaldehyd-og PM10-sensorer ble ikke utført på grunn av manglende kalibreringsprosedyrer.

Resultatene fra sensorkalibreringene viser at nøyaktigheten til sensorene er som angitt i databladene. Fremtidige kalibreringer anbefales for å lete etter mulig endring i ytelsen over tid. Resultatene fra feltmålingene viser at grenseverdien for formaldehyd overskrides jevnlig i alle klasserom. Dette skjer stort sett utenfor driftstiden, men korte overskridelser skjer også i driftstiden under lunchen. Det finnes ingen klar forskjell på formaldehydnivået i nyere og eldre klasserom, men formaldehydnivåene er høyere i klasserom med overflater i tre enn i klasserom uten overflater i tre. Formaldehydnivået minker raskt når ventilasjonen økes fra minimumsnivået, noe som viser at formaldehyd genereres innendørs. Formaldehyd anbefales som en indikator for styring av DCV sammen med CO2, for å sikre at både menneskeskapte og ikke-menneskeskapte forurensninger kontrolleres. PM2.5-nivåene målt i klasserommene er for det meste svært lave, men i løpet av en periode med uvanlig høye utendørs svevestøvnivåer ble innendørsnivåene merkbart høyere, og grenseverdien for PM2.5 ble overskredet én gang i ett klasserom. Ingen signifikante forskjeller i PM2.5-nivåene i høy- og lavtraffikerte områder er funnet. Ingen korrelasjon mellom innendørs PM2.5-nivåer og ventilasjonsmengder er oppdaget. PM10-feltmålinger ble forkastet fordi det ble oppdaget at lavkostnad partikkelsensorer har en eksponentielt avtagende nøyaktighet for økende størrelsesfraksjoner av svevestøv. Innendørs og utendørs PM2.5-nivåer kan overvåkes av sentraldriftsanlegget, noe som gjør det mulig å indikere når vinduer bør holdes stengt på grunn av uvanlig høye nivåer av utendørs svevestøv. Det anbefales ikke å bruke PM2.5 som en indikator for styring av DCV.

In most developed countries, buildings account for about 40% of the total energy use, of which a significant fraction is consumed by HVAC systems. Demand controlled ventilation (DCV) is often proposed as a measure to reduce HVAC energy use, while maintaining adequate levels of outdoor air ventilation for indoor air quality control. This way the ventilation operates with reduced air flow rates during a significant part of the time. CO2 production related to human occupancy is straightforward to use as an indicator of the air quality, making CO2 the most used indicator for control of DCV; the ventilation rate is increased when CO2 levels increase and vice versa. However, other pollutants in the indoor air may affect the performance and health of occupants, and pollutants such as particulate matter and volatile organic compounds (VOCs) may have increasing levels even in periods of low occupancy. If ventilation rates are reduced due to low occupancy, occupants may be exposed to high concentrations of pollutants with adverse health effects due to lower pollutant dilution. Usually, these other pollutants are not incorporated into DCV applications due to complex and expensive measurement techniques. In more recent years, new technologies have enabled for less expensive sensors measuring relevant pollutants and parameters.

Several health relevant pollutants in indoor air in primary school classrooms were identified in the literature reviews, and the most relevant pollutants were evaluated to be the VOC and carcinogen formaldehyde, TVOC (total amount of VOCs) and the particulate matter size fractions PM2.5 and PM10. Recommended limit value guidelines were found for formaldehyde, PM2.5 and PM10. A recommended limit value guideline does not exist for TVOC concentrations. Together with these pollutants, CO2, temperature and humidity were also studied in the literary reviews. Relevant factory precalibrated low cost sensors for all these pollutants and parameters were found, implemented on a sensor rig and tested, first by performing initial sensor calibrations together with high performance reference instruments, and secondly by performing field measurements in primary school classrooms with CO2 controlled DCV. The chosen sensors are SCD30 (CO2, temperature, humidity), SPS30 (PM2.5, PM10), SGP30 (TVOC) and WZ-S (formaldehyde). The TVOC sensors were not implemented on the sensor rigs due to problems with handling their very small dimensions. Formaldehyde and PM10 sensor measurements were not calibrated due to a lack of relevant reference instruments and calibration procedures.

The results from the initial sensor calibrations show that the accuracy of the sensors is as stated in their datasheets. Future calibrations are recommended to look for possible drifts over time in the measurements. The results from the field measurements show that the limit value guideline for formaldehyde is exceeded regularly in all classrooms. This mostly occurs outside the operating hours, but short exceeds also occur within the operating hours during lunchtime. No clear difference in the formaldehyde levels for newer and older classrooms are found, but formaldehyde levels are higher in classrooms with wooden surfaces than in classrooms without wooden surfaces. Formaldehyde levels decrease rapidly when ventilation air flow rates are increased from minimum values, showing that the formaldehyde is indoor generated. Formaldehyde is recommended as a marker for control of DCV together with CO2, to ensure that occupant generated and non-occupant generated pollutants are controlled simultaneously, resulting in a more healthy indoor air for the occupants. The PM2.5 levels measured in the classrooms are mostly very low, but during a period of unusually high outdoor PM2.5 levels, the indoor levels became noticeably higher, and the limit value guideline for PM2.5 was exceeded once in one of the four classrooms. No significant differences in the PM2.5 levels indoors in high and low trafficked areas are found. No correlation between indoor PM2.5 levels and ventilation air flow rates is discovered. PM10 field measurements were discarded because it was discovered that low cost particle matter sensors have an exponentially decreasing accuracy for increasing particulate size fractions. Indoor and outdoor PM2.5 levels can be monitored by the building automation system, making it possible to indicate when windows should remain closed due to unusually high outdoor levels. It is not recommended to use PM2.5 as a marker for control of DCV in primary schools.