A CO2-érzékelés kihívásai
Életünk nagy részét zárt térben töltjük - otthon, az irodában vagy az üzletekben, éttermekben és más nyilvános helyeken. Mivel a friss levegő értékes termék, ezért fontos, hogy az épületek szellőzése megfelelő legyen. A CO2-szintet régóta használják a beltéri levegő minőségének mutatójaként, ezért számos modern HVAC-rendszer CO2-érzékelővel van felszerelve.
-
Ahhoz, hogy ezek az érzékelők pontosak legyenek, számos tényezőt kell figyelembe venni és kezelni:
-
A friss levegő egészségügyi előnyei megcáfolhatatlanok, hiánya pedig kihat az egészségünkre és a koncentrációs képességünkre. Sajnos ebben a rohanó világban kevesen tudunk annyi időt tölteni a szabadban, amennyit szeretnénk. Átlagosan életünk 90%-ában zárt térben vagyunk, és ennek az időnek a nagy részét otthonunkban töltjük. Bár az otthonunkat rendszeresen elhagyjuk, de a lakáson kívül töltött idő nagy részében más beltéri helyeken, például irodában, étteremben vagy üzletben tartózkodunk. Ez világosan mutatja a jó minőségű beltéri levegő és a CO2-szint megfelelő felügyeletének fontosságát, különösen a zsúfolt helyiségekben.
-
Bár a magas CO2-szint és a rossz levegőminőség nem szinonimák, a megnövekedett CO2-koncentráció jó jele lehet annak, hogy a helyiség további szellőztetést igényel. Emellett a CO2-koncentráció növekedése gyakran együtt jár az illékony szerves vegyületek (VOC) koncentrációjának emelkedésével is, mivel mindkettőt az emberek bocsátják ki. Köztudott, hogy a rossz levegő - különösen a magas VOC-tartalom - káros lehet az egészségre, és növeli a levegőben terjedő vírusok, például a SARS-CoV-2 átvitelének kockázatát. Emellett a friss levegő hiánya nagy hatással van a termelékenységre és a koncentrációs képességre is - ezt az állítást számos tanulmány támasztja alá.
-
A szélsőségek soha nem jók, és ez a szellőzésre is igaz. Az állandóan maximális kapacitással dolgozó HVAC-rendszerek magas energiafogyasztáshoz és következésképpen túlzottan nagy összegű villanyszámlákhoz vezetnek, különösen a nagyon meleg vagy hideg időszakokban. Ezért nem meglepő, hogy az igényalapú szellőztetést jelenleg a HVAC-rendszerek alapvető standardjának tekintik, és a CO2-koncentrációt gyakran használják vezérlési paraméterként, mivel szorosan korrelál a levegőminőséggel. Ez az alkalmazás olyan érzékelőkre támaszkodik, amelyek pontos információt szolgáltatnak a CO2-szintről, és egy meghatározott határérték elérésekor aktiválják a rendszert. Bár a komfortelvárások világszerte eltérőek, abban egyetértés van, hogy a CO2-szintet mindig 1000 ppm alatt kell tartani, és nem szabad hosszú ideig túllépni az 1500 ppm értéket. Jó kompromisszum lehet a CO2-szint 30 másodpercenkénti mérése és beállítása, így tartva frissen a levegőt és alacsonyan az energiaszámlákat.
-
A CO2-érzékelő általánosságban egy fényforrásból és két érzékelőből áll (1. ábra). Amint a fény áthalad a beltéri levegővel töltött mérőkamrán, a jelenlévő molekulák elnyelik azt. Az egyik detektor olyan szűrővel rendelkezik, amelynek ablaka 4.3 µm körül van, ami megfelel a CO2 abszorpciós spektrum egy csúcspontjának. Ez azt jelenti, hogy csak a CO2-molekulák jelenléte miatti fénykioltást észleli. Ezzel szemben a referenciaérzékelő a szűretlen fényintenzitást méri, így a két mérés összehasonlításával meghatározható a CO2-szint. A kettős érzékelő kialakítás segít ellensúlyozni a fényerősség csökkenését is, amely a fényforrás romlása vagy az apró porszemcsék miatt következik be. Az érzékelők robusztusságának további fokozása érdekében azokat porvédővel kell ellátni, amely megakadályozza, hogy a részecskék zavarják az érzékelőket.
1. ábra: Az NDIR kettős detektoros megközelítés szemléltetése
-
Bár a kétcsatornás megközelítés pontosnak tekinthető, önmagában nem garantálja a stabil hosszú távú méréseket, mivel az alapérték az érzékelő alkatrészeinek öregedése miatt idővel elkezdhet eltolódni. Ez az automatikus alapérték-korrekció (ABC) segítségével javítható, amely folyamatosan nyomon követi az érzékelők által leolvasott legalacsonyabb értékeket, és korrigálja az észlelt eltéréseket. Ez a megközelítés jól működik olyan épületek esetében, amelyek bizonyos ideig üresen állnak, például olyan irodáknál, amelyeket hétvégenként bezárnak. Ezt az eltérést azonban nem olyan könnyű azonosítani és kezelni olyan helyeken, ahol a hét minden napján, a nap 24 órájában tartózkodnak, például kórházi sürgősségi osztályokon, logisztikai központokban vagy gyárakban. Ezért alapvető fontosságú, hogy olyan robusztus érzékelőket használjunk, amelyek hosszú távon pontos méréseket biztosítanak, és nem igényelnek állandó kalibrációt, így minden alkalmazásban használhatók, függetlenül a zárt térben tartózkodók számától.
-
A helyiségérzékelőnek bármilyen körülmények között pontosan kell tudnia mérni a CO2-szintet, ami azt jelenti, hogy jól kell ellenállnia a nyomás, a hőmérséklet és a páratartalom fokozatos vagy gyors változásainak. A különböző tengerszint feletti magasságok nyomáskülönbségeit is figyelembe kell venni, mivel már 400 m tengerszint feletti magasság is 70 ppm eltérést eredményez a mért CO2-koncentrációban. Tekintettel arra, hogy egyes szabályozó szervek - például az Egyesült Államokban több állam kormánya - csak ±75 ppm tűréshatárt engedélyeznek, ez szinte semmilyen hibalehetőséget nem tesz lehetővé. Ezért minden nagy teljesítményű CO2-érzékelőnek tartalmaznia kell abszolút nyomáskompenzációt (2. ábra)
2. ábra: Az abszolút nyomáskompenzációval rendelkező és abszolút nyomáskompenzáció nélküli érzékelők összehasonlítása különböző magasságokban.
-
Kiterjedt tesztelést kell végezni annak biztosítására, hogy az érzékelő eltérő körülmények között is működőképes legyen a hosszú távú stabilitás és működés biztosítása érdekében. Az érzékelőket ezért hosszabb ideig - több héten keresztül - kell tesztelni, minden lehetséges időjárási körülményre kiterjedően, és azokra összpontosítva, amelyekről ismert, hogy nagy terhelést jelentenek az eszközre. Például a nem kondenzálódó nedves hőteljesítményt 95 %-os relatív páratartalom és 35 °C mellett lehet tesztelni annak biztosítása érdekében, hogy az érzékelő korrózióállóságot mutasson és meg tudja tartani a teljesítőképességét. Másrészt a száraz hőméréseket magasabb hőmérsékleten - 60-70 °C-on - kell elvégezni annak biztosítására, hogy az anyagok tágulási együtthatójának különbsége miatt nem következik be eltérés. Mivel a belső hőmérsékleti gradiensek is szerepet játszhatnak az eszköz általános teljesítményében, az érzékelőelemeket úgy kell megépíteni, hogy minimalizálják az önmelegedést.
Összefoglalás
Mivel egyre több időt töltünk beltérben, egyre fontosabbá válik a beltéri levegő minőségének felügyelete, ami a CO2-szint mérésével sikeresen elvégezhető. Sok szervezet ezért olyan HVAC-rendszereket választ, amelyek a CO2-szint alapján szabályozzák a légáramot. Ahhoz azonban, hogy a megfelelő levegőmennyiséget a túlszellőztetés nélkül tudják biztosítani, ezeket a rendszereket megbízható érzékelőkkel kell felszerelni. Bár a legtöbb érzékelő kezdetben pontos, hosszú távon instabilnak bizonyulhatnak, és gyakori újrakalibrálást igényelhetnek. Ez a megközelítés bizonyos körülmények között hatékony lehet, de nem működik állandóan lakott épületekben. Ezért előnyös olyan robusztus érzékelőket választani, amelyek folyamatos korrekciók nélkül képesek helyes méréseket biztosítani. A Belimo érzékelőket mindezen szempontok figyelembevételével tervezték, és gyakorlatilag bármilyen körülmények között képesek a CO2 hosszú távú, pontos mérésére a beltéri levegő minőségével kapcsolatos alkalmazásokban.
Dr Sebastian Eberle, a környezetvédelmi érzékelési technológia fejlesztési vezetője
Yoram Mottas, az érzékelőfejlesztés rendszermérnöke
