Trudności związane z pomiarem stężenia CO2

Świeże powietrze niezaprzeczalnie jest korzystne dla naszego organizmu, natomiast jego brak negatywnie wpływa na zdrowie oraz zdolność koncentracji. Niestety współczesny, intensywny styl życia sprawia, że niewiele osób może spędzać odpowiednio dużo czasu na zewnątrz. Przeciętnie 90% czasu spędzamy w zamkniętych pomieszczeniach, przy czym najdłużej przebywamy w domach. Nawet jeśli regularnie wychodzimy z domu, większość czasu spędzamy w innych przestrzeniach zamkniętych, takich jak biura, restauracje czy sklepy. Z tego powodu utrzymywanie wysokiej jakości powietrza w pomieszczeniach i odpowiednie monitorowanie stężenia CO₂ mają ogromne znaczenie, zwłaszcza w zatłoczonych miejscach.

Niska jakość powietrza nie jest równoznaczna z wysokim stężeniem CO₂, jednak podwyższone stężenie CO₂ może wskazywać, że pomieszczenie wymaga dotatkowego wentylowania. Co więcej podwyższonemu stężeniu CO₂ często towarzyszy wysokie stężenie lotnych związków organicznych (LZO), które są także emitowane przez ludzi. Powszechnie wiadomo, że powietrze o niskiej jakości, zwłaszcza o dużym stężeniu LZO, może być szkodliwe dla zdrowia i zwiększać ryzyko zakażenia wirusami unoszącymi się w powietrzu, takimi jak SARS-CoV-2. Ponadto brak świeżego powietrza silnie zmniejsza produktywność i zdolność koncentracji, co zostało potwierdzone licznymi badaniami.

Skrajności nigdy nie są dobre, także w przypadku wentylacji. Instalacje HVAC, które stale pracują z maksymalna wydajnością zużywają dużo energii, co skutkuje wysokimi opłatami za elektryczność, zwłaszcza przy bardzo wysokich lub bardzo niskich temperaturach zewnętrznych. Nie dziwi więc, że wentylacja regulowana w zależności od potrzeb jest obecnie postrzegana jako złoty standard instalacji HVAC, a stężenie CO₂ jest wykorzystywane jako parametr ściśle powiązany z jakością powietrza. To zastosownanie jest oparte na czujnikach precyzyjnie mierzących stężenie CO₂ i aktywujących wentylację, gdy stężenie przekracza określoną wartość. Normy dotyczące komfortu różnią się w poszczególnych krajach, jednak przyjmuje się, że stężenie CO₂ powinno być stale utrzymywane poniżej 1000 ppm, a w dłuższych okresach nie może przekraczać 1500 ppm. Dobre rozwiązanie, pozwalające utrzymać wysoką jakość powietrza przy możliwie niskich kosztach energii, polega na pomiarze i regulowaniu stężenia CO₂ co 30 sekund.

Powszechnie stosowany czujnik CO₂ zawiera źródło światła i dwa detektory (Rys. 1). Światło przechodzące przez komorę pomiarową, wypełnioną powietrzem z otoczenia, jest częściowo pochłaniane przez cząstki zawarte w powietrzu. Jeden z detektorów ma filtr z oknem około 4,3 µm – co odpowiada pikowi w widmie absorpcji CO₂ absorption spectra – oznacza to, że rejestruje tłumienie światła spowodowane wyłącznieprzez cząsteczki CO₂. Drugi detektor (referencyjny) mierzy niefiltrowane natężenie światła, umożliwiając określenie stężenia CO₂ poprzez porównanie dwóch pomiarów. Dwa czujniki pomagają również kompensować spadkek natężenia światła wynikający z degradacji źródła światła lub obecności małych cząstek pyłu. Aby jeszcze bardziej zwiększyć wytrzymałość czujników, należy zastosować osłonę przeciwpyłową, która zapobiega zakłócaniu działania detektorów przez cząsteczki.

Chociaż pomiary przy użyciu czujników z dwoma detektorami są uważane za dokładne, jednak nie gwarantują długoterminowej stabilności, ponieważ na skutek starzenia się elementów czujnika dolna wartość graniczna może zmieniać się z biegiem czasu. Problem ten można rozwiązać stosując automatyczną kalibrację ABC (Automatic Baseline Correction), która stale śledzi najniższe odczyty czujników i koryguje wykryty dryft. Ta metoda dobrze sprawdza się w budynkach, które okresowo są nieużytkowane (np. w biurowcach zamkniętych w weekendy). Zjawisko dryftu jest jednak trudne do zindentyfikowania i skompensowania w obiektach, które są użytkowane w sposób ciągły, takich jak szpitalne izby przyjęć, centra logistyczne czy fabryki. Dlatego kluczowe znaczenie ma stosowanie czujników zapewniających długoterminową dokładność pomiarów bez konieczności ciągłej kalibracji, takich, które można stosować niezależnie od harmonogramów użytkowania obiektów.

Czujnik musi dokładnie mierzyć stężenie CO₂ w każdych warunkach, co oznacza, że powinien charakteryzować się dobrą odpornością zarówno na powolne, jak i nagłe zmiany ciśnienia, temperatury i wilgotności. Trzeba też uwzględnić różnice ciśnienia na różnych wysokościach, ponieważ już na wysokości 400 m n.p.m. wskazanie mierzonego stężenia CO₂ może różnić się o 70 ppm. Dopuszczalny margines błędu pomiarowego jest bardzo mały, ponieważ niektóre przepisy – np. przepisy stanowe w USA – dopuszczają tolerancję tylko ±75 ppm. Precyzujny czujnik CO₂ musi więc być wyposażony w funkcję kompensacji ciśnienia bezwzględnego (Rys. 2).

Aby zagwarantować długoterminową stabilność i funkcjonalność czujników, trzeba przeprowadzić szeroko zakrojone testy w różnych warunkach roboczych. Badania czujnikow muszą więc być prowadzone przez dłuższy okres – nawet kilka tygodni – obejmujący wszystkie możliwe warunki pogodowe, ze szczególnym uwzględnieniem warunków niekorzystnie wpływających na urządzenie. Na przykład, aby sprawdzić odporność na korozję można przeprowadzić badania w wilgotności 95% (bez kondensacji) przy temperaturze 35°C. W celu sprawdzenia, czy nie występuje dryft spowodowany rozszerzalnością termiczną materiałów, trzeba przeprowadzić pomiary w temperaturze 60–70°C. Wewnętrzne gradienty temperatury mogą również odgrywać ważną rolę w ogólnej wydajności urządzenia, dlatego elementy czujnika trzeba projektować w sposób minimalizujący wydzielanie się ciepła.