Улучшение качества воздуха в помещении с помощью датчиков

Улучшение качества воздуха в помещении с помощью датчиков двуокиси углерода (СО2)
http://www.ivik.ua/info/interesting/95.html
Функции современных ОВК систем давно вышли за пределы снабжения помещения теплом или прохладой.
Идея измерения уровня СО2 для регулирования и контроля системы (DCV ventilation – вентиляции, управляемой по запросу) существует давно. Однако многие признают, что эта идея до сих пор больше анализируется и изучается, чем фактически применяется на практике. Тем не менее, принцип простой: не нагнетать больше
внешнего воздуха, чем необходимо, так как этот воздух необходимо нагревать, охлаждать, увлажнять или осушать.
Следует рассчитать количество людей, находящихся в комнате, и рециркуляционной заслонкой установить соответствующий уровень притока свежего воздуха. Принимая во внимание, что человек выдыхает большое количество диоксида углерода, измерения уровня этого газа в помещении дает четкое представление о
количестве человек, находящихся в комнате, а также предоставляет четкую информацию о соответствующем качестве воздуха в помещении. Системы DCV могут обеспечить значительную экономию энергии по сравнению с обычными вентиляционными системами, уровень воздухообмена которых основан на условии
максимальной загруженности помещения людьми и составляет около 15 фт 3/мин на человека.
В США начинают разрабатывать законодательную базу и стандарты, регламентирующие использование СО 2 датчиков. Например, Энергетический Комитет Калифорнии издал документ обязывающий использование DCV-системы для большинства помещений, где находится более 25 человек на тыс. фт 2. Также стандарт 62
ASHRAE «Вентиляция для приемлемого качества внутреннего воздуха» регламентирует использование СО 2 датчиков для контроля кратности воздухообмена. Система управляемой вентиляции с использованием датчика СО 2 является особенно экономичной альтернативой для помещений, периодически заполняемых людьми –
классы, аудитории, конференц-залы, театры и аэропорты. А также – больницы, казино крайне необходимо обеспечить правильной вентиляцией помещения и своевременно контролировать ее интенсивность.
Датчики СО2 обычно устанавливаются на стене и иногда интегрируются в программируемый термостат (см. рис. 1). Они могут быть размещены в вытяжном воздуховоде для контроля воздуха одного либо нескольких помещений или установлены в воздухозаборном оборудовании для измерения концентраций СО2 во внешнем
воздухе, которые могут варьироваться в зависимости от географических или атмосферных условий. Большинство систем DCV начинают повышать уровень притока свежего воздуха, когда уровень СО 2 внутреннего воздуха достигает 1000-1200 ррm, или на 700 ррm превышает концентрацию газа во внешнем воздухе. Система
снижает приток свежего воздуха, как только уровень СО2 падает по крайней мере на 200 ррm.
Рис. 1
Поэтому очевидны явные преимущества использования DCV систем. Так почему же данная технология занимает такой маленький сегмент на рынке? Главные причины заключаются в недостатке законодательной базы и общей стоимости системы с установкой, недостаточной соответствующей подготовке и квалификации
слишком долгой цепи покупателей (потребителей). Зачастую сам домовладелец не является жильцом и не платит за коммунальные услуги. Архитекторы или инженеры-механики на стадии проектировки системы могут порекомендовать использование DCV систем, однако обычно заказчик от них отказывается по причине
существенного повышения стоимости системы. В полную стоимость системы DCV входит стоимость датчика, блока рециркуляции, воздухораспределительных модулей и соответствующих кабельных трасс. Многие современные системы диспетчеризации инженерного оборудования здания, по крайней мере частично, содержат
вышеперечисленные компоненты, однако стоимость модернизации старой системы может быть значительной. Тем не менее, картина постепенно меняется. Датчики становятся менее дорогими, стоимость энергии продолжает расти, а домовладельцы и жильцы становятся благоразумнее.
Принципы инфракрасной индикации СО2 (IR СО2)
Достаточно сложно определить молекулу СО2. Так как химическая структура данной молекулы не содержит вакантного места для дополнительных атомов кислорода, популярные и относительно дешевые металл-оксид-полупроводник (МОП) газовые сенсоры не сработают. Электрохимические элементы обладают некоторой
способностью измерения уровня СО2, однако значительными проблемами являются зависимость показаний прибора от влажности и относительная недолговечность. Единственной подходящей технологией остается ИК-излучение. СО2 обладает сравнительно отчетливыми характерными признаками в MK-области спектра, с
пиком 4,26 μm. Типичный ИК СО2 сенсор (см. рис. 2) состоит из:




Источника ИК-излучения – стандартной импульсной лампы с вольфрамовой нитью
Детектора – ультрачувствительного температурного сенсора (термопары или пирометра)
Узкополосного (4,26 μm) ИК-фильтра, расположенного между источником излучения и детектором (вместо фильтра может применяться одноволновый источник излучения – лазер с фиксированной или подстраиваемой длиной волны, но подобного рода решения довольно дороги с финансовой точки зрения)
Оптической камеры, автономного отсека, через который проходит газ и перемещается ИК-излучение, которая не пропускает внешний свет.
Рис. 2
Чем больше молекул СО2 находится в камере, тем больше ИК-излучения поглощается и тем ниже температура детектора. Это звучит просто, однако такая модель представляет чувствительную оптическую систему. Главным фактором, влияющим на эффективность системы, является оптическая эффективность. Поэтому в
данный момент ученые ищут оптимальные пути достижения максимальной оптической эффективности этой технологии. Также особое внимание уделяется разработке сложного программного обеспечения и дополнительной электроники, что сможет обеспечить четкость и стабильность показаний датчика на длительный
период. Со временем оптика изнашивается и интенсивность света немного изменяется вследствие старения нити (окисления вольфрама), а также колебаний напряжения. В результате это может вызвать значительное расширение диапазона погрешности датчика.
Существует несколько разных способов компенсации данных проблем. В некоторых конструкциях системы используют две импульсные лампы, установленные на разных расстояниях от детектора, что позволяет поглощать разное количество СО 2. Программное обеспечение в свою очередь контролирует и реагирует на
изменение числа (коэффициента) сигналов, получаемых от двух лампочек. Этот процесс называют «виртуальным сравнением». Также возможны системы с использованием одной лампы и двух детекторов. Детекторы оснащены фильтрами для разной длинны волны, что устанавливаются перед ними. Другая популярная
технология компенсации погрешностей датчика заключается в использовании программно-реализованного алгоритма. Так как большинство СО2 сенсоров используются в ситуациях с достаточно предсказуемым «нерабочим периодом», когда уровень СО 2 достаточно низкий (т. е. ночное время, когда помещение пустое), то
такой уровень концентрации легко определяется и принимается за исходный, который можно изменять. Пока этот уровень «покоя» не изменяется, система будет успешно работать. Однако такая модель не учитывает отклонение чувствительности, что зачастую является источником реальных проблем эталонирования
(сравнения с эталоном).
Измерение других газов
ИК-сенсоры могут измерять и множество других газов. Такие детекторы являются основным компонентом большинства лабораторных спектрометров. Благодаря хорошей поглощающей способности СО2 и сравнительно высоким природным концентрациям (350-450 ррт во внешнем воздухе и 2000 ррm внутри помещения),
присутствие других газов практически не влияет на работу системы (не создает особых помех). Моноксид углерода (СО), с другой стороны, труднее определить ИК-сенсором, так как это более слабый абсорбент ИК-излучения и находится в окружающей среде в намного меньших концентрациях. Согласно европейским нормам
UL2034 (стандарт, регламентирующий контроль уровня концентрации окиси углерода в частных домах), пороговый уровень содержания СО должен составлять 70 ррm. Некоторые ученые утверждают, что длительное влияние даже более низких концентраций СО может быть вредным для здоровья. Характерные признаки СО в
области ИК-слектра представлены в виде двухвершинного холмика с центром в 4,75 μm, однако это не столь важно, так как сигнатура СО 2, СО и водяного пара расположены рядом. Это означает, что значительный уровень концентрации СО 2 или влажности может повлиять на считывание данных СО. Так как ИК-излучение от
вольфрамовой нити и его проницаемость через стекло значительно снижается над пиком СО2 (4,26 μm), следует использовать более инновационный ИК-излучатель, чем стандартная импульсная лампочка. Более того, алгоритм, основанный на изменении исходного уровня концентрации, что используется в случае с СО2, не
применим к СО, так как невозможно предсказать «нерабочий период». Также присутствуют едва ощутимые изменения исходного уровня концентрации вследствие возможных СО утечек, которые необходимо обнаружить.
С помощью ИК-детекторов можно также контролировать утечки хладагентов, что используются в кондиционерах и чиллерах. Такие детекторы очень популярны, и являются обязательными компонентами во многих промышленных системах. Гидрофтороуглероды, такие как R134a, R22, R152a, являются веществами,
незначительно истощающими озоновый слой и обладают резко выраженными признаками в ИК-области спектра в диапазоне 8-9 μm. Также как и в случае с СО, в ИК-датчиках для контроля таких хладагентов должен использоваться другой источник ИК-излучения, а не вольфрамовая/стеклянная лампочка.
Другие датчики
Возрастающий интерес к системам полной диспетчеризации инженерного оборудования здания, которая включает систему ОВК, освещение, пожарную систему и систему безопасности, также уделяет особое внимание датчикам влажности, давления и других условий внешней среды.
Датчики влажности иногда критикуют за возрастающую неточность по мере износа, а этот показатель чрезвычайно важен для расчета теплосодержания (энтальпии), то есть внутренней энергии системы и является ключом к оптимизации эффективности и определения фактического комфорта в помещении. Точность
некоторых датчиков влажности страдает при чрезвычайно высоком уровне влажности окружающей среды и датчик может быть поврежден или время его отклика может увеличиться под воздействием конденсации и некоторых химически ядовитых веществ. Такие ситуации случаются довольно часто, чтобы стать толчком для
разработки нового типа, недорогого и надежного датчика влажности.
Датчики давления также играют главную роль при контроле давления воздуха, потока воздуха, а также давления хладагента в системах кондиционирования воздуха и в холодильных установках. Хороший алгоритм может определить проблему заранее, до того как человек столкнется с ней и предпримет меры по
предотвращению ее последствий, что может стоить достаточно дорого. Многие современные сенсоры оснащены функцией самодиагностики.
В условиях непрерывного развития систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха от простых систем, способных контролировать лишь температуру, до систем, способных обеспечить комфорт, удобство, эффективность, можно смело утверждать, что будущее комфорта в помещении за датчиками.