Предизвикателствата при измерването на CO2

Ползите за здравето от свежия въздух са неоспорими, а липсата му се отразява на здравето ни и на способността ни да се съсредоточаваме. За съжаление, в този забързан свят малцина от нас могат да прекарват толкова време на открито, колкото ни се иска. Ние прекарваме средно до 90 % от живота си на закрито и през по-голямата част от това време пребиваваме в домовете си. Въпреки че редовно напускаме дома си, голяма част от времето, прекарано извън него, е в друго помещение, например в офис, ресторант или магазин. Този факт демонстрира колко важно е високото качество на въздуха на закрито и правилното наблюдение на нивата на CO₂, особено в натоварени обекти.

Въпреки че високите нива на CO₂ не са равнозначни на лошо качество на въздуха, повишените концентрации на CO₂ могат да бъдат добър показател, че помещението се нуждае от допълнителна вентилация. Освен това увеличаването на CO₂ често върви ръка за ръка с увеличаване на концентрациите на летливи органични съединения (ЛОС / VOC), тъй като и двете се отделят от хората. Общоизвестно е, че лошият въздух – особено високото съдържание на ЛОС – може да навреди на здравето и да увеличи риска от предаване на вируси по въздушно-капков път, като например SARS-CoV-2. Освен това липсата на свеж въздух оказва голямо влияние върху производителността и способността за съсредоточаване – това твърдение е подкрепено от многобройни проучвания.

Крайностите никога не са добри и това важи и за вентилацията. ОВК системите, които постоянно работят на максимален капацитет, водят до висока консумация на енергия и съответно до прекомерно високи сметки за електроенергия, особено през много горещи или много студени периоди. Ето защо не е изненадващо, че вентилацията, управлявана от нуждите, понастоящем се счита за златен стандарт за ОВК системите, а концентрацията на CO₂ често се използва като параметър за управление, тъй като тя е в тясна връзка с качеството на въздуха. Това приложение разчита на сензори, които предоставят точна информация за нивата на CO₂ и активират системата при достигане на определена граница. Въпреки че стандартите за комфорт са различни в различните части на света, съществува консенсус, че нивата на CO₂ трябва винаги да се поддържат под 1000 ppm и да не надвишават 1500 ppm за продължителни периоди от време. Добър компромис е да измервате и регулирате нивата на CO₂ на всеки 30 секунди, което поддържа въздуха свеж, а сметките за енергия – ниски.

Обикновено сензорът за CO₂ се състои от източник на светлина и два детектора (фигура 1). При преминаването на светлината през измервателната камера, която е изпълнена с въздух от помещението, тя се поглъща от наличните молекули. Единият детектор има филтър с прозорец на около 4,3 µm – което съответства на пика в спектъра на поглъщане на CO₂ – което означава, че той регистрира само угасването на светлината, дължащо се на наличието на молекули CO₂. За разлика от тях референтният детектор измерва нефилтрирания интензитет на светлината, което позволява да се определи нивото на CO₂ чрез сравняване на двете измервания. Дизайнът с два сензора също така помага да се противодейства на намаляването на интензитета на светлината, причинено от влошаване на качеството на източника на светлина или малки прахови частици. За да се повиши допълнително устойчивостта на сензорите, те трябва да бъдат снабдени с прахозащитен капак, който не позволява на частиците да влияят на детекторите.

Въпреки че двуканалният подход се счита за точен, той сам по себе си не може да гарантира стабилни дългосрочни измервания, тъй като базовата линия може да започне да се отклонява с течение на времето поради стареенето на компонентите на сензора. Това може да се коригира чрез автоматична корекция на базовата линия (ABC), която постоянно следи най-ниското показание на сензорите и коригира всяко установено отклонение. Този подход работи добре за сгради, които не се обитават за определени периоди от време, като например офиси, които са затворени през уикенда. Това отклонение обаче не е толкова лесно за идентифициране и преодоляване на места, които се обитават 24 часа в денонощието и 7 дни в седмицата, като например спешни отделения в болници, логистични центрове или фабрики. Ето защо е изключително важно да се използват надеждни сензори, които осигуряват точни дългосрочни измервания, без да е необходимо постоянна калибрация, което им позволява да се използват за всякакви приложения, независимо от начина на обитаване.

Сензорът за помещение трябва да може да измерва точно нивата на CO₂ при всякакви условия, което означава, че трябва да има добра устойчивост както на постепенни, така и на резки промени в налягането, температурата и влажността. Разликите в налягането на различни надморски височини също трябва да се отчитат, тъй като дори височина от 400 м над морското равнище води до отклонение от 70 ppm в измерената концентрация на CO₂. Като се има предвид, че някои регулаторни органи – например правителствата на няколко щата в САЩ – допускат толеранс само от ±75 ppm, това не оставя почти никаква възможност за грешка. Затова всеки високоефективен сензор за CO₂ трябва да включва компенсация на абсолютното налягане (Фигура 2)

Необходимо е провеждане на разширено изпитване, за да се гарантира, че сензорът може да работи при различни условия, за да се гарантира дългосрочна стабилност и функция. Поради това сензорите трябва да се тестват за продължителен период от време – няколко седмици – като се обхванат всички възможни метеорологични условия и се наблегне на тези, за които се знае, че натоварват устройството. Например ефективността на влажната топлина без конденз може да бъде тествана при 95 % относителна влажност и 35 °C, за да се гарантира, че сензорът е устойчив на корозия и може да запази своята ефективност. От друга страна, измерванията при суха топлина трябва да се извършват при по-високи температури – 60-70 °C, – за да се потвърди, че няма отклонение поради разликата в коефициентите на разширение на материалите. Тъй като вътрешните температурни градиенти също могат да играят роля за цялостната производителност на устройството, сензорните елементи трябва да бъдат конструирани по начин, който свежда до минимум самонагряването.