Izazovi detekcije CO2

Zdravstvene dobrobiti svježeg zraka su nepobitne, a njegov nedostatak utječe na naše zdravlje i sposobnost fokusiranja. Nažalost, u ovom užurbanom svijetu, malo nas je u mogućnosti provesti onoliko vremena na otvorenom koliko bismo željeli. U prosjeku do 90 % života provedemo u zatvorenom prostoru, a većinu tog vremena boravimo u svojim domovima. Iako redovito izlazimo iz kuće, puno vremena provedenog izvan kuće provodimo na drugom zatvorenom mjestu, poput ureda, restorana ili trgovine. Ovo jasno pokazuje važnost visokokvalitetnog unutarnjeg zraka i ispravnog praćenja razine CO₂, posebno u prepunim prostorima.

Iako visoke razine CO₂ i loša kvaliteta zraka nisu sinonimi, povišene koncentracije CO₂ mogu biti dobar pokazatelj da prostorija zahtijeva dodatno prozračivanje. Osim toga, povećanje CO₂ često dolazi ruku pod ruku s porastom koncentracija hlapljivih organskih kemikalija (VOC), budući da ljudi emitiraju oboje. Opće je poznato da loš zrak – osobito visoki VOC – može biti štetan za zdravlje i povećati rizik od prijenosa virusa koji se prenose zrakom, kao što je SARS-CoV-2. Osim toga, nedostatak svježeg zraka također ima veliki utjecaj na produktivnost i sposobnost fokusiranja – što podupiru brojne studije.

Ekstremi nikad nisu dobri, a to vrijedi i za ventilaciju. HVAC sustavi koji stalno rade maksimalnim kapacitetom dovest će do velike potrošnje energije i, posljedično, previsokih računa za struju, posebno tijekom vrlo toplih ili hladnih razdoblja. Stoga nije iznenađenje da se ventilacija kontrolirana zahtjevima trenutno smatra zlatnim standardom za HVAC sustave, a koncentracija CO₂ često se koristi kao kontrolni parametar, budući da je tijesno povezana s kvalitetom zraka. Ova se primjena oslanja na senzore koji daju točne informacije o razinama CO₂, aktivirajući sustav kada se dosegne određena granica. Iako se norme za udobnost razlikuju u cijelom svijetu, postoji konsenzus da bi razine CO₂ uvijek trebale biti ispod 1000 ppm, te da ne bi smjele dulje vremena biti iznad 1500 ppm. Dobar kompromis je mjerenje i podešavanje razine CO₂ svakih 30 sekundi, čime se zrak održava svježim, a računi za energiju niski.

Uobičajena konstrukcija CO₂ senzora sastoji se od izvora svjetlosti i dva detektora (slika 1). Prisutne molekule apsorbiraju svjetlost dok prolazi kroz mjernu komoru, ispunjenu okolnim unutarnjim zrakom. Jedan detektor ima filtar s prozorom pri oko 4,3 µm – što odgovara vrhuncu u spektru apsorpcije CO₂ – što znači da registrira samo nestanak svjetlosti zbog prisutnosti molekula CO₂. Nasuprot tome, referentni detektor mjeri intenzitet nefiltrirane svjetlosti, što omogućuje određivanje razine CO₂ usporedbom dvaju mjerenja. Konstrukcija dvostrukog senzora također pomaže u sprječavanju pada intenziteta svjetlosti zbog degradacije izvora svjetlosti ili malih čestica prašine. Kako bi se dodatno povećala robusnost senzora, oni bi trebali biti opremljeni poklopcem za prašinu koji sprječava čestice da ometaju detektore.

Iako se dvokanalni pristup smatra točnim, sam po sebi ne može jamčiti stabilna dugoročna mjerenja, budući da se osnovna linija može početi pomicati tijekom vremena zbog starenja komponenti osjetnika. To se može popraviti automatskom korekcijom osnovne linije (ABC), koja stalno prati najniže očitanje osjetnika i ispravlja svaki otkriveni pomak. Ovaj pristup dobro funkcionira za zgrade koje su u nekim razdobljima prazne, poput ureda koji su zatvoreni tijekom vikenda. Međutim, ovo odstupanje nije lako prepoznati i riješiti na mjestima koja su zauzeta 24/7, na primjer bolničke hitne službe, logistički centri ili tvornice. Stoga je ključno koristiti robusne senzore koji pružaju točna dugoročna mjerenja bez potrebe za stalnom kalibracijom, što omogućuje njihovu upotrebu u svim slučajevima, bez obzira na obrasce zauzetosti.

Sobni senzor mora biti u stanju precizno mjeriti razine CO₂ u svim uvjetima, što znači da mora imati dobru otpornost na postupne i akutne promjene tlaka, temperature i vlažnosti. Također je potrebno uzeti u obzir razlike tlaka na različitim nadmorskim visinama, budući da čak i nadmorska visina od 400 m rezultira odmakom od 70 ppm u izmjerenoj koncentraciji CO₂ . Uzimajući u obzir da neka regulatorna tijela – na primjer nekoliko državnih vlada u SAD-u – dopuštaju samo toleranciju od ±75 ppm, to ne ostavlja gotovo nikakav prostor za pogreške. Svaki senzor CO₂ visokih performansi trebao bi stoga uključivati apsolutnu kompenzaciju tlaka (slika 2)

Potrebno je provesti prošireno testiranje kako bi se osiguralo da senzor može raditi u različitim uvjetima radi osiguranja dugoročne stabilnosti i funkcije. Senzori bi se stoga trebali testirati kroz dulje razdoblje – u rasponu od nekoliko tjedana – pokrivajući sve moguće vremenske uvjete i fokusirajući se na one za koje se zna da uređaj izlažu velikom opterećenju. Na primjer, performanse pri mokroj toplini bez kondenzacije mogu se ispitati pri 95 % relativne vlažnosti i 35 °C kako bi se osiguralo da je osjetnik otporan na koroziju i da može zadržati svoje performanse. S druge strane, mjerenja pri suhoj toplini treba provoditi na višim temperaturama – 60-70 °C – kako bi se potvrdilo da ne dolazi do pomaka zbog razlike u koeficijentima širenja materijala. Budući da gradijenti unutarnje temperature također mogu igrati ulogu u performansama uređaja, elementi senzora moraju biti takvi da minimiziraju samozagrijavanje.