CO2 noteikšanas izaicinājumi
Lielāko daļu savas dzīves mēs pavadām telpās — mājās, birojā vai dažādās publiskās vietās, piemēram, veikalos un restorānos. Svaigs gaiss ir būtiska komfortablas vides sastāvdaļa, tādēļ ir svarīgi, lai ēkās būtu ierīkota pienācīga ventilācija. CO2 līmenis jau ilgu laiku tiek izmantots kā iekštelpu gaisa kvalitātes indikators, tādēļ daudzas mūsdienīgas apkures, ventilācijas un gaisa kondicionēšanas sistēmas tiek aprīkotas ar CO2 sensoriem.
-
Lai šie sensori būtu precīzi, ir jāņem vērā un jārisina daudzi faktori:
-
Svaiga gaisa nozīmi labsajūtā nevar noliegt, un tā trūkums ietekmē mūsu veselību un spēju koncentrēties. Diemžēl šajā steidzīgajā pasaulē ne visiem ir iespēja pavadīt tik daudz laika ārā, cik mēs vēlētos. Vidēji līdz 90% savas dzīves pavadām telpās, un lielāko daļu laika mēs atrodamies savās mājās. Lai gan mēs regulāri izejam no mājām, liela daļa laika, kas pavadīta ārpus mājas, tiek pavadīta citā telpā, piemēram, birojā, restorānā vai veikalā. Tas skaidri parāda, cik svarīga ir iekštelpu gaisa kvalitāte un pienācīga CO2 līmeņa uzraudzīšana, it īpaši piepildītās telpās.
-
Kaut arī augsts CO2 līmenis un slikta gaisa kvalitāte nav sinonīmi, paaugstināta CO2 koncentrācija gaisā var būt labs indikators, kas norāda, ka telpās nepieciešama papildu ventilācija. Kā arī paaugstināts CO2 līmenis bieži iet roku rokā ar gaistošo organisko savienojumu koncentrācijas paaugstināšanos, jo abus izdala cilvēki. Ir vispārzināms, ka slikts gaiss, īpaši augsts gaistošo organisko savienojumu līmenis, var kaitēt veselībai un palielināt dažādu ar gaisa pilieniem pārnesamu vīrusu, piemēram, SARS-CoV-2, izplatības risku. Turklāt svaiga gaisa trūkums arī ļoti ietekmē produktivitāti un spēju koncentrēties — apgalvojums, ko apstiprina daudzi pētījumi.
-
Galējības nav labas, un tas attiecas arī uz ventilāciju. Apkures, ventilācijas un gaisa kondicionēšanas sistēmas, kas pastāvīgi strādā ar maksimālo jaudu, radīs lielu enerģijas patēriņu un līdz ar to pārmērīgus elektrības rēķinus, īpaši ļoti karstā vai aukstā laikā. Tāpēc nav pārsteigums, ka pēc pieprasījuma vadīta ventilācija pašlaik tiek uzskatīta par apkures, ventilācijas un gaisa kondicionēšanas sistēmu zelta standartu, un CO2 koncentrācija bieži tiek izmantota kā kontroles parametrs, jo tā ir cieši saistīta ar gaisa kvalitāti. Šis lietojums balstās uz sensoriem, kas sniedz precīzu informāciju par CO2 līmeņiem, aktivizējot sistēmu, kad ir sasniegts noteiktais ierobežojums. Lai gan komforta normas visā pasaulē atšķiras, pastāv vienprātība, ka CO2 līmenis vienmēr ir jāsaglabā zem 1000 ppm un ilgstoši nedrīkst pārsniegt 1500 ppm. Labs kompromiss ir CO2 līmeņa mērīšana un regulēšana ik pēc 30 sekundēm, tādējādi saglabājot svaigu gaisu un zemus rēķinus par enerģiju.
-
Parasti CO2 sensori ir veidoti no gaismas avota un diviem detektoriem (1. attēls). Gaismai plūstot cauri mērīšanas kamerai, kas piepildīta ar apkārtējo iekštelpu gaisu, to absorbē esošās molekulas. Vienam detektoram ir filtrs ar apmēram 4,3 µm logu, kas atbilst CO2 absorbcijas spektra maksimumam, kas nozīmē, ka tas reģistrē tikai gaismas izzušanu CO2 molekulu klātbūtnes dēļ. Turpretim atsauces detektors mēra nefiltrētās gaismas intensitāti, ļaujot noteikt CO2 līmeni, salīdzinot abus mērījumus. Dubultā sensora dizains palīdz arī novērst gaismas intensitātes samazināšanos, ko izraisa gaismas avota degradācija vai nelielas putekļu daļiņas. Lai vēl vairāk uzlabotu sensoru noturīgumu, tiem jābūt aprīkotiem ar putekļu vāku, kas neļauj daļiņām traucēt detektoru darbību.
1. attēls. NDIR divu detektoru pieejas vizualizācija
-
Lai gan divu kanālu pieeja tiek uzskatīta par precīzu, tā pati par sevi nevar garantēt stabilus ilgtermiņa mērījumus, jo bāzes līnija laika gaitā var sākt novirzīties sensoru komponentu novecošanas dēļ. To var novērst, izmantojot automātisko bāzes līnijas korekciju (ABC), kas pastāvīgi izseko sensoru zemāko rādījumu un koriģē jebkuru konstatēto novirzi. Šī pieeja labi darbojas ēkās, kas kādu laiku nav apdzīvotas, piemēram, birojos, kas nedēļas nogalēs ir slēgti. Tomēr šo novirzi nav tik viegli identificēt un novērst vietās, kas ir aizņemtas visu diennakti, piemēram, slimnīcu neatliekamās palīdzības nodaļās, loģistikas centros vai rūpnīcās. Tāpēc ir ļoti svarīgi izmantot izturīgus sensorus, kas nodrošina precīzus ilgtermiņa mērījumus bez pastāvīgas kalibrēšanas, ļaujot tos izmantot visos lietojumos neatkarīgi no noslogojuma modeļiem.
-
Telpas sensoram ir jāspēj precīzi izmērīt CO2 līmeni jebkuros apstākļos, kas nozīmē, ka tam ir jābūt labi izturīgam gan pret pakāpeniskām, gan akūtām spiediena, temperatūras un mitruma izmaiņām. Jāņem vērā arī spiediena atšķirības dažādos augstumos, jo pat 400 m pacēlums virs jūras līmeņa rada 70 ppm nobīdi izmērītajā CO2 koncentrācijā. Ņemot vērā to, ka dažas regulējošās iestādes — piemēram, vairākas ASV štatu valdības — pieļauj tikai ±75 ppm pielaidi, tas gandrīz neatstāj robežu kļūdai. Tāpēc jebkuram augstas veiktspējas CO2 sensoram ir jāietver absolūtā spiediena kompensācija (2. attēls).
2. attēls. Sensoru salīdzinājums ar absolūtā spiediena kompensāciju un bez tās dažādos augstumos virs jūras līmeņa
-
Jāveic paplašinātas pārbaudes, lai nodrošinātu, ka sensors var darboties dažādos apstākļos un attiecīgi garantētu ilgtermiņa stabilitāti un darbību. Tāpēc sensori ir jātestē ilgāku laiku — vairākas nedēļas —, aptverot visus iespējamos laikapstākļus un koncentrējoties uz tiem, kas rada lielu slodzi ierīcei. Piemēram, nekondensējoša slapja siltuma veiktspēju var pārbaudīt 95% relatīvajā mitrumā un 35 °C temperatūrā, lai nodrošinātu, ka sensors uzrāda izturību pret koroziju un spēj saglabāt savu veiktspēju. No otras puses, sausā siltuma mērījumi jāveic augstākā temperatūrā — 60–70 °C —, lai pārliecinātos, ka materiālu izplešanās koeficientu atšķirības dēļ nenotiek nobīde. Tā kā iekšējiem temperatūras gradientiem var būt nozīme arī kopējā ierīces veiktspējā, sensoru elementi ir jābūvē tā, lai pēc iespējas samazinātu pašizsilšanu.
Apkopojums
Tā kā mēs daudz laika pavadām telpās, ir ļoti svarīgi uzraudzīt iekštelpu gaisa kvalitāti. Viens no efektīvākajiem veidiem, kā to darīt, ir uzraugot CO2 līmeni. Tieši tādēļ daudzas organizācijas izvēlas apkures, ventilācijas un gaisa kondicionēšanas sistēmas, kas regulē gaisa plūsmu, pamatojoties uz CO2 līmeni. Tomēr, lai nodrošinātu pienācīgu svaiga gaisa pieplūdumu, neradot pārmērīgu gaisa plūsmu, šīm sistēmām ir jābūt aprīkotām ar uzticamiem sensoriem. Kaut arī daudzi sensori sākotnēji ir precīzi, ilgtermiņā tie var kļūt nestabili, radot nepieciešamību bieži veikt pārkalibrēšanu. Šāda pieeja var būt efektīva atsevišķās situācijās, taču nedarbosies pastāvīgi aizpildītās telpās. Tādēļ ir vērts izvēlēties izturīgus sensorus, kas var sniegt precīzus mērījumus, neveicot biežu regulēšanu. Belimo sensori ir radīti, ņemot vērā visus šos apsvērumus, un spēj ilgtermiņā nodrošināt precīzus CO2 mērījumus teju jebkuros apstākļos dažādiem iekštelpu gaisa kvalitātes mērījumu lietojumiem.
Dr. Sebastjans Eberle (Sebastian Eberle), Vides sensoru tehnoloģiju izstrādes daļas vadītājs
Jorāms Motas (Yorram Mottas), Sensoru attīstības sistēmu inženieris