* Yoram Mottas – Systems Engineer for Sensor Development, Sebastian Eberle – Head of Development Environmental Sensing Technology, Belimo
Ludzie spędzają dużo czasu w pomieszczeniach, dlatego ważne jest monitorowanie w nich jakości powietrza. Skutecznie można to robić, badając stężenie CO2. Coraz częściej zastosowanie znajdują systemy HVAC, regulujące przepływ powietrza na podstawie poziomu CO2. Aby jednak dostarczać odpowiednią ilość powietrza bez nadmiernej wentylacji, co może niepotrzebnie podnosić koszty energii, systemy muszą być wyposażone w niezawodne czujniki. Dlatego warto wybierać wytrzymałe czujniki, które zapewnią prawidłowe pomiary CO2 bez ciągłych regulacji.
Chociaż większość czujników jest początkowo dokładna, po jakimś czasie może rozregulowywać się, co wymaga częstej kalibracji. Takie rozwiązanie w niektórych przypadkach nie sprawdzi się, np. w obiektach użytkowanych 24 godziny przez 7 dni w tygodniu.
Zła wentylacja, a co za tym idzie brak świeżego powietrza w pomieszczeniach, źle wpływa na zdrowie przebywających tam ludzi. Średnio człowiek spędza do 90% życia w pomieszczeniach. Dlatego ważne jest zapewnienie wysokiej jakość powietrza i właściwe monitorowanie poziomu CO2, zwłaszcza w obiektach, w których przebywa wiele osób. Podwyższone stężenie CO2 może być dobrą wskazówką, mówiącą o tym, że w pomieszczeniu potrzebna jest dodatkowa wentylacja. Ponadto wzrost CO2 często idzie w parze ze wzrostem stężeń lotnych związków organicznych (LZO), ponieważ oba te związki są emitowane przez ludzi.
Wentylacja sterowana zapotrzebowaniem
Systemy HVAC, które stale pracują z maksymalną wydajnością, zużywają dużo energii elektrycznej, co skutkuje wysokimi kosztami eksploatacji. Dlatego obecnie standardem staje się wentylacja sterowana zgodnie z zapotrzebowaniem. Jako parametr kontrolny często wykorzystywany jest poziom stężenia CO2, ponieważ ściśle koreluje z jakością powietrza. Czujniki dostarczają dokładne informacje o poziomach CO2 i uruchamiają system wentylacji po osiągnięciu określonego limitu. Chociaż normy dotyczące komfortu są różne na całym świecie, panuje zgoda co do tego, że poziom CO2 powinien być zawsze utrzymywany poniżej 1000 ppm i nie przekraczać w dłuższym czasie 1500 ppm. Rozwiązaniem pozwalającym na osiągnięcie kompromisu pomiędzy zapewnieniem dobrej jakości powietrza w pomieszczeniach i niskimi rachunkami za energię jest pomiar i dostosowywanie poziomu CO2 co 30 sekund.
Czujnik z podwójnym detektorem
Typowy czujnik CO2 składa się ze źródła światła i dwóch detektorów (rys. 1). Gdy światło przechodzi przez komorę pomiarową wypełnioną powietrzem z pomieszczenia, jest absorbowane przez obecne cząsteczki. Jeden z detektorów ma filtr z okienkiem około 4,3 µm – co odpowiada pikowi w widmie absorpcji CO2. Oznacza to, że rejestruje tylko ekstynkcję światła spowodowaną obecnością cząsteczek CO2 (fala długość 4,3 μm ma maksymalny współczynnik pochłaniania przez CO2, natomiast minimalny dla innych gazów w powietrzu).
Drugi detektor (referencyjny) mierzy niefiltrowane natężenie światła, umożliwiając określenie poziomu CO2 poprzez porównanie dwóch pomiarów. Dwa czujniki pomagają również przeciwdziałać spadkowi natężenia światła wynikającemu z degradacji źródła światła lub obecności małych cząstek pyłu. Aby jeszcze bardziej zwiększyć wytrzymałość czujników, należy je wyposażyć w osłonę przeciwpyłową, która zapobiega zakłócaniu działania detektorów przez cząsteczki.
Chociaż pomiary za pomocą czujników z podwójnymi detektorami są uważane za dokładne, nie gwarantują jednak stabilnych pomiarów długoterminowych, ponieważ dolna wartość graniczna (linia bazowa) może zmieniać się w czasie z powodu starzenia się elementów czujnika. Można to naprawić za pomocą automatycznej korekcji linii bazowej ABC (Automatic Baseline Correction), która stale śledzi najniższe odczyty czujników i koryguje wszelkie wykryte odchylenia. Takie podejście dobrze sprawdza się w budynkach, które okresowo są nieużytkowane (np. biurowce zamknięte w weekendy).
Nie jest już jednak tak proste w obiektach działających 24/7 (np. szpitalne izby przyjęć, centra logistyczne lub fabryki). Dlatego kluczowe znaczenie ma stosowanie czujników, które zapewniają dokładne długoterminowe pomiary bez konieczności ciągłej kalibracji, takich, które można stosować niezależnie od wzorców zajętości obiektów.
Czujnik musi być w stanie dokładnie mierzyć stężenie CO2 w każdych warunkach, co oznacza, że powinien charakteryzować się dobrą odpornością zarówno na powolne, jak i nagłe zmiany ciśnienia, temperatury i wilgotności. Należy również uwzględnić różnice ciśnienia na różnych wysokościach, ponieważ nawet wysokość 400 m n.p.m. powoduje przesunięcie zmierzonego stężenia CO2 o 70 ppm. Dlatego każdy wysokowydajny czujnik CO2 powinien mieć funkcję kompensacji ciśnienia bezwzględnego (rys. 2).
Testowanie i weryfikacja
Aby zagwarantować długoterminową stabilność i funkcjonalność czujników CO2, należy przeprowadzić rozszerzone testy w celu upewnienia się, że czujnik może działać w różnych warunkach. Czujniki należy zatem testować przez dłuższy okres – nawet kilka tygodni – obejmujący wszystkie możliwe warunki pogodowe. Należy skupić się przede wszystkim na tych, o których wiadomo, że powodują duże obciążenie urządzenia. Przykładowo wydajność w mokrym trybie bez kondensacji można przetestować przy wilgotności względnej 95% i temperaturze 35°C, aby upewnić się, że czujnik wykazuje odporność na korozję i zachowa swoją wydajność. Z kolei pomiary suchego ciepła powinny być wykonywane w wyższej temperaturze – 60÷70°C, aby można było potwierdzić, że nie występuje rozregulowanie z powodu różnicy współczynników rozszerzalności materiałów. Ponieważ wewnętrzne gradienty temperatury mogą również odgrywać ważną rolę w ogólnej wydajności urządzenia, elementy czujnika muszą być zbudowane w sposób minimalizujący samonagrzewanie.