Οι προκλήσεις στην ανίχνευση CO2

Τα οφέλη του καθαρού αέρα στην υγεία είναι αναντίρρητα και η έλλειψή του επηρεάζει την υγεία μας και την ικανότητα συγκέντρωσής μας. Δυστυχώς, σε μια εποχή που όλοι είναι πολυάσχολοι, λίγοι έχουμε τη δυνατότητα να περνάμε όσο χρόνο θα θέλαμε σε εξωτερικούς χώρους. Κατά μέσο όρο περνάμε έως 90% της ζωής μας σε εσωτερικούς χώρους και το μεγαλύτερο μέρος αυτού του χρόνου βρισκόμαστε στα σπίτια μας. Παρόλο που φεύγουμε από τα σπίτια μας τακτικά, πολύ από τον χρόνο που περνάμε έξω από το σπίτι βρισκόμαστε σε άλλη κλειστή τοποθεσία, όπως ένα γραφείο, εστιατόριο ή κατάστημα. Αυτά τα στοιχεία δείχνουν με σαφήνεια τη σημασία της υψηλής ποιότητας του εσωτερικού αέρα και της σωστής παρακολούθησης των επιπέδων CO₂, ειδικά σε κλειστούς χώρους με πολύ κόσμο.

Παρόλο που τα υψηλά επίπεδα CO₂ δεν σημαίνουν απαραίτητα κακή ποιότητα αέρα, οι αυξημένες συγκεντρώσεις CO₂ μπορεί να είναι μια καλή ένδειξη πως ο χώρος χρειάζεται επιπλέον εξαερισμό. Επιπλέον, η αύξηση του CO₂ συχνά συνοδεύεται από αύξηση στις συγκεντρώσεις πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC), καθώς και τα δύο απελευθερώνονται από ανθρώπους. Είναι ευρέως γνωστό ότι η χαμηλή ποιότητα αέρα – ειδικά οι υψηλές συγκεντρώσεις πτητικών οργανικών ενώσεων – μπορεί να είναι καταστροφική για την υγεία και να αυξήσει τον κίνδυνο μετάδοσης αερομεταφερόμενων ιών, όπως ο SARS-CoV-2. Επιπλέον, η έλλειψη καθαρού αέρα έχει μεγάλο αντίκτυπο στην παραγωγικότητα και την ικανότητα εστίασης της προσοχής, κάτι που επιβεβαιώνεται από πολυάριθμες μελέτες.

Η υπερβολή βλάπτει, και αυτό ισχύει και για τον εξαερισμό. Η συνεχής λειτουργία των συστημάτων HVAC στη μέγιστη ισχύ τους οδηγεί σε υψηλή κατανάλωση ενέργειας και, κατά συνέπεια, σε εξωπραγματικούς λογαριασμούς ηλεκτρικού ρεύματος, ειδικά κατά τις πολύ θερμές ή κρύες περιόδους. Επομένως, δεν είναι άξιο απορίας που αυτή τη στιγμή ο εξαερισμός ελεγχόμενης ζήτησης θεωρείται ο χρυσός κανόνας για συστήματα HVAC, και που η συγκέντρωση CO₂ χρησιμοποιείται συχνά ως παράμετρος ελέγχου, καθώς συσχετίζεται σημαντικά με την ποιότητα του αέρα. Αυτή η εφαρμογή βασίζεται στην παροχή πληροφοριών ακριβείας για τα επίπεδα CO₂ από αισθητήρια, ενεργοποιώντας το σύστημα όταν έχει επιτευχθεί ένα καθορισμένο όριο. Αν και οι προδιαγραφές άνεσης διαφέρουν ανά τον κόσμο, υπάρχει μια ομοφωνία ότι τα επίπεδα CO₂ πρέπει να είναι πάντα κάτω από 1.000 ppm, και να μην υπερβαίνουν τα 1.500 ppm για παρατεταμένες περιόδους. Μια καλή συμβιβαστική λύση είναι η μέτρηση και προσαρμογή των επιπέδων CO₂ κάθε 30 δευτερόλεπτα, καθώς έτσι ο αέρας διατηρείται καθαρός και οι λογαριασμοί ενέργειας χαμηλοί.

Σε έναν συνήθη σχεδιασμό, ένα αισθητήριο CO₂ αποτελείται από μια πηγή φωτός και δύο ανιχνευτές (Εικόνα 1). Καθώς το φως διέρχεται από το θάλαμο μέτρησης, ο οποίος είναι γεμάτος με εσωτερικό αέρα περιβάλλοντος, απορροφάται από τα μόρια που υπάρχουν εκεί. Ο ένας ανιχνευτής διαθέτει φίλτρο με παράθυρο περίπου 4,3 µm – το οποίο αντιστοιχεί σε μια αιχμή στα φάσματα απορρόφησης CO₂ – πράγμα που σημαίνει ότι καταγράφει την απουσία του φωτός λόγω της παρουσίας μορίων CO₂. Από την άλλη, ο ανιχνευτής αναφοράς μετρά την ένταση του αφιλτράριστου φωτός, καθιστώντας δυνατό τον καθορισμό του επιπέδου CO₂ μέσω σύγκρισης των δύο μετρήσεων. Ο σχεδιασμός με διπλό αισθητήρα βοηθά, επίσης, στην αντιστάθμιση της πτώσης της έντασης του φωτός η οποία προκύπτει από την υποβάθμιση της πηγής του φωτός ή από τα μικρά σωματίδια σκόνης. Για να ενισχυθεί περαιτέρω η στιβαρότητα των αισθητηρίων, αυτά θα πρέπει να εξοπλίζονται με κάλυμμα σκόνης, το οποίο δεν επιτρέπει στα σωματίδια να παρεμποδίσουν τη λειτουργία των ανιχνευτών.

Παρόλο που η προσέγγιση διπλού καναλιού θεωρείται ακριβής, δεν μπορεί από μόνη της να εγγυηθεί σταθερές μετρήσεις μακροπρόθεσμα, καθώς η γραμμή βάσης μπορεί να αρχίσει να μετατοπίζεται με τον καιρό λόγω της γήρανσης των εξαρτημάτων των αισθητηρίων. Αυτό μπορεί να διορθωθεί μέσω αυτόματης διόρθωσης γραμμής βάσης (ABC), η οποία παρακολουθεί συνεχώς τη χαμηλότερη ένδειξη των αισθητηρίων και διορθώνει τυχόν μετατόπιση που ανιχνεύεται. Αυτή η προσέγγιση λειτουργεί καλά σε κτίρια τα οποία είναι άδεια για κάποιες χρονικές περιόδους, όπως γραφεία που είναι κλειστά κατά το Σαββατοκύριακο. Όμως αυτή η μετατόπιση δεν είναι εξίσου εύκολο να εντοπιστεί και να διορθωθεί σε κλειστούς χώρους που έχουν κόσμο 24 ώρες το 24ωρο, για παράδειγμα αίθουσες επειγόντων περιστατικών νοσοκομείων, κέντρα διαχειριστικής υποστήριξης ή εργοστάσια. Επομένως είναι πολύ σημαντικό να χρησιμοποιούνται στιβαρά αισθητήρια που παρέχουν μακροπρόθεσμα ακριβείς μετρήσεις χωρίς να χρειάζονται συνεχώς καλιμπράρισμα, και έτσι μπορούν να αξιοποιούνται σε όλες τις εφαρμογές, ανεξάρτητα από την κίνηση μέσα στους κλειστούς χώρους.

Ένα αισθητήριο δωματίου πρέπει να μπορεί να μετρά με ακρίβεια τα επίπεδα CO₂ υπό οποιεσδήποτε συνθήκες, που σημαίνει ότι πρέπει να έχει καλή αντίσταση τόσο σε βαθμιαίες όσο και σε απότομες αλλαγές πίεσης, θερμοκρασίας και υγρασίας. Οι διαφορές πίεσης σε διαφορετικά υψόμετρα πρέπει επίσης να μπορούν να αντιμετωπίζονται, καθώς ακόμη και μια άνοδος 400 m πάνω από το επίπεδο της θάλασσας έχει ως αποτέλεσμα αντιστάθμιση 70 ppm στη μετρηθείσα συγκέντρωση CO₂. Δεδομένου ότι κάποια ρυθμιστικά σώματα – για παράδειγμα αρκετές πολιτειακές κυβερνήσεις στις ΗΠΑ – επιτρέπουν ανοχή μόνο ±75 ppm, δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου περιθώριο σφάλματος. Οποιοδήποτε αισθητήριο CO₂ υψηλής απόδοσης, επομένως, θα πρέπει να διαθέτει αντιστάθμιση απόλυτης πίεσης (εικόνα 2)

Θα πρέπει να γίνονται εκτενείς δοκιμές, για να διασφαλίζεται πως το αισθητήριο μπορεί να λειτουργεί υπό διάφορες συνθήκες ώστε να είναι εγγυημένη η μακροπρόθεσμη σταθερότητα και λειτουργία. Συνεπώς, τα αισθητήρια θα πρέπει να υποβάλλονται σε δοκιμές για παρατεταμένες περιόδους – δηλαδή αρκετές εβδομάδες – καλύπτοντας όλες τις πιθανές καιρικές συνθήκες και εστιάζοντας σε αυτές που είναι γνωστό ότι καταπονούν πολύ τη συσκευή. Για παράδειγμα, η απόδοση σε υγρή θερμότητα χωρίς συμπύκνωση μπορεί να δοκιμάζεται σε σχετική υγρασία 95% και στους 35  C ώστε να διαπιστώνεται πως το αισθητήριο έχει ανθεκτικότητα στη διάβρωση και μπορεί να διατηρήσει την απόδοσή του. Από την άλλη, οι μετρήσεις σε ξηρή θερμότητα θα πρέπει να πραγματοποιούνται σε υψηλότερες θερμοκρασίες – 60-70  C – ώστε να επιβεβαιώνεται ότι δεν προκαλείται μετατόπιση λόγω της διαφοράς στους συντελεστές διαστολής των υλικών. Καθώς οι βαθμίδες εσωτερικής θερμοκρασίας μπορούν, επίσης, να διαδραματίσουν ρόλο στη συνολική απόδοση της συσκευής, τα στοιχεία του αισθητηρίου πρέπει να είναι κατασκευασμένα κατά τέτοιον τρόπο ώστε να ελαχιστοποιείται η αυτοθέρμανση.