De uitdagingen van CO2-detectie

De gezondheidsvoordelen van frisse lucht zijn onweerlegbaar en het gebrek eraan schaadt onze gezondheid en ons concentratievermogen. Helaas kunnen in deze drukke wereld maar weinigen zoveel tijd buiten doorbrengen als ze graag zouden willen. Gemiddeld brengen we tot 90% van ons leven binnen door en het grootste deel van die tijd verblijven we thuis. Ook al verlaten we onze woning regelmatig, veel van de tijd die we elders doorbrengen is ergens anders binnen, zoals in een kantoor, restaurant of winkel. Hieruit blijkt hoe belangrijk het is te zorgen voor een hoge binnenluchtkwaliteit en een degelijke bewaking van de CO₂-niveaus, vooral in ruimten waar veel mensen zich ophouden.

Hoewel een hoog CO₂-niveau niet synoniem is met slechte luchtkwaliteit, vormen verhoogde CO₂-concentraties toch een goede indicatie dat de ruimte extra moet worden geventileerd. Bovendien gaat een toename van CO₂ vaak gepaard met een stijging van de concentratie van vluchtige organische verbindingen (zgn. VOC's), aangezien beide door de mens worden uitgestoten. Het is algemeen bekend dat slechte lucht, vooral een hoog VOC-gehalte, schadelijk kan zijn voor de gezondheid en het risico van overdracht van virussen via de lucht, onder meer van SARS-CoV-2, daarbij toeneemt. Bovendien heeft een gebrek aan frisse lucht ook een grote negatieve invloed op de productiviteit en het concentratievermogen, wat door talrijke studies wordt gestaafd.

Extremen zijn nooit goed, en dat geldt ook voor ventilatie. HVAC-systemen die constant op maximale capaciteit draaien, leiden tot een hoog energieverbruik en bijgevolg tot buitensporig hoge elektriciteitsrekeningen, vooral tijdens zeer warme of zeer koude periodes. Het is dan ook geen verrassing dat behoeftegeregelde ventilatie momenteel wordt beschouwd als de gulden regel voor HVAC-systemen en dat de CO₂-concentratie vaak wordt gebruikt als controleparameter, aangezien deze nauw samenhangt met de luchtkwaliteit. Deze toepassing is gebaseerd op sensoren die nauwkeurige informatie verstrekken over CO₂-niveaus, waarbij het systeem wordt geactiveerd wanneer een bepaalde limiet is bereikt. Hoewel de comfortnormen in de wereld verschillen, is men het erover eens dat het CO₂-gehalte het beste onder de 1000 ppm moet worden gehouden en niet langdurig boven 1500 ppm mag zijn. Een goed compromis bestaat erin de CO₂-niveaus om de 30 seconden te meten en aan te passen, zodat de lucht fris blijft en de energierekening laag.

Een gewone CO₂-sensor bestaat uit een lichtbron en twee detectoren (afbeelding 1). Het licht dat door de met omgevingslucht gevulde meetkamer gaat, wordt deels geabsorbeerd door de daar aanwezige moleculen. Eén detector heeft een optische filter met een doorlaatvenster rond 4,3 µm, wat overeenkomt met een piek in het CO₂-absorptiespectrum. Bijgevolg wordt hier alleen de vermindering van lichtintensiteit als gevolg van de aanwezigheid van CO₂-moleculen geregistreerd. De referentiedetector meet daarentegen de ongefilterde lichtintensiteit. Het CO₂-niveau kan dan worden bepaald door de twee metingen met elkaar te vergelijken. Dankzij het dubbele sensorontwerp wordt ook de daling van de lichtintensiteit ten gevolge van de degradatie van de lichtbron of door kleine stofdeeltjes gecompenseerd. Om de sensoren nog robuuster te maken, moeten ze worden voorzien van een stofkap die voorkomt dat deeltjes de detectoren storen.

Hoewel het principe met twee kanalen als nauwkeurig wordt beschouwd, kan dit op zichzelf geen stabiele metingen op lange termijn garanderen, omdat de baseline na verloop van tijd kan afwijken door de veroudering van de sensorcomponenten. Dit kan worden verholpen met automatische baseline-correctie (ABC), die voortdurend de laagste meetwaarde van de sensoren bijhoudt en een daarbij gedetecteerde drift (geleidelijk toenemende meetafwijking) corrigeert. Deze aanpak werkt goed voor gebouwen waar gedurende bepaalde perioden helemaal geen mensen zijn, zoals kantoren die in het weekend gesloten zijn. Een drift is echter niet gemakkelijk vast te stellen en te compenseren voor ruimten die 24/7 bezet zijn, bijvoorbeeld op de spoeddienst van ziekenhuizen, in logistieke centra of fabrieken. Daarom is het van cruciaal belang robuuste sensoren te gebruiken die nauwkeurige metingen op lange termijn leveren zonder dat ze voortdurend gekalibreerd moeten worden, zodat ze in alle toepassingen kunnen worden gebruikt, ongeacht de bezettingspatronen.

Een ruimtesensor moet onder alle omstandigheden nauwkeurig CO₂-niveaus kunnen meten, wat betekent dat deze goed bestand moet zijn tegen zowel geleidelijke als plotse veranderingen in druk, temperatuur en vochtigheidsgraad. Bovendien moet rekening worden gehouden met de drukverschillen op verschillende hoogten, want zelfs een hoogte van 400 m boven de zeespiegel leidt tot een afwijking van 70 ppm in de gemeten CO₂-concentratie. Aangezien sommige regelgevende instanties, bijvoorbeeld de verschillende staatsoverheden in de VS, een tolerantie van slechts ±75 ppm toestaan, blijft er bijna geen foutmarge over. Elke hoogperformante CO₂-sensor moet daarom over barometrische compensatie beschikken (afbeelding 2)

Er moeten uitgebreide tests worden uitgevoerd om zeker te zijn dat de sensor onder allerhande uiteenlopende omstandigheden kan functioneren zodat de stabiliteit en de werking ervan op lange termijn gegarandeerd blijft. Sensoren moeten daarom gedurende een langere periode (enkele weken) worden getest bij alle mogelijke weersomstandigheden, in het bijzonder weersomstandigheden waarvan bekend is dat ze het apparaat zwaar belasten. De prestaties bij niet-condenserende, vochtige hitte kunnen bijvoorbeeld worden getest bij 95% relatieve vochtigheid en 35 °C om zich ervan te vergewissen dat de sensor corrosiebestendig is en dat de prestaties ervan niet achteruitgaan. Anderzijds moeten metingen in droge hitte worden uitgevoerd bij hogere temperaturen van 60-70 °C om te bevestigen dat er geen drift optreedt ten gevolge van de verschillende uitzettingscoëfficiënten van de materialen. Aangezien interne temperatuurgradiënten ook een rol kunnen spelen in de algemene prestaties van het apparaat, moeten de sensorelementen zodanig worden gebouwd dat zelfopwarming tot een minimum wordt beperkt.