Сложности в определении уровня CO2

Польза свежего воздуха для здоровья человека неоспорима, а его недостаток сказывается на нашем здоровье и способности сосредоточиться. К сожалению, в таком суетном мире мало кто имеет возможность проводить на свежем воздухе столько времени, сколько хотелось бы. В среднем в помещении мы проводим до 90 % своей жизни, и большую часть этого времени мы пребываем в своих домах. Хоть мы и регулярно выходим из дома, значительная часть проведенного вне дома времени приходится на другое помещение, например, офис, ресторан или магазин. Это подтверждает важность качественного воздуха в помещениях и надлежащего контроля уровня CO₂, особенно в местах большого количества людей.

Несмотря на то, что высокий уровень CO₂ и плохое качество воздуха — это не синонимы, повышенная концентрация CO₂ может быть верным признаком того, что в помещении требуется дополнительная вентиляция. К тому же, увеличению концентрации CO₂ часто сопутствует рост концентрации летучих органических соединений, поскольку и те, и другие выделяются человеком. Хорошо известно, что плохой воздух — особенно с высоким содержанием летучих органических соединений — может пагубно влиять на здоровье и повышать риск распространения вирусов, передающихся воздушно-капельным путем, таких как SARS-CoV-2. К тому же, недостаток свежего воздуха сильно сказывается на производительности труда и способности сосредоточиться — это было подтверждено многочисленными исследованиями.

Экстремальные ситуации не приводят ни к чему хорошему, и это также касается вентиляции. Постоянная работа систем ОВиК на максимальной мощности приводит к высокому потреблению энергии и, соответственно, к высоким счетам за электричество, особенно в очень жаркие или холодные периоды. В связи с этим адаптивная система вентиляции считается золотым стандартом для систем ОВиК, а концентрация CO₂ часто выступает в роли управляющего параметра, поскольку она тесно коррелирует с качеством воздуха. В данном случае система использует датчики, предоставляющие точную информацию об уровне CO₂, которые активируют систему при достижении заданного предела. В разных странах мира разные нормы комфортности, однако есть единое мнение, что уровень CO₂ всегда должен быть ниже 1000 ppm и не превышать 1500 ppm в течение длительного времени. Оптимальным вариантом считается измерение и регулировка уровня CO₂ каждые 30 секунд, что позволяет сохранить свежесть воздуха и низкие счета за электроэнергию.

Стандартная конструкция датчика CO₂ — это источник света и два детектора (рис. 1). При прохождении света через измерительную камеру, заполненную комнатным воздухом, он поглощается присутствующими молекулами. Один из детекторов снабжен фильтром с отверстием около 4.3 мкм — что соответствует максимуму в спектре поглощения CO₂ — то есть он регистрирует только гашение света, вызванное присутствием молекул CO₂. Эталонный детектор, напротив, измеряет интенсивность нефильтрованного света, что позволяет определить уровень CO₂ путем сравнения двух измерений. Конструкция двойного датчика также позволяет предотвратить падение интенсивности света, возникающее из-за ослабления источника света или мелких частиц пыли. Для дополнительного повышения надежности датчиков их необходимо снабдить пылезащитным кожухом, который не позволит частицам препятствовать работе детекторов.

Двухканальный метод считается точным, но сам по себе он не гарантирует стабильность продолжительных измерений, так как со временем основание может начать смещаться из-за старения компонентов датчика. Исправить это можно с помощью автоматической коррекции основания (ABC), которая непрерывно отслеживает наименьшие показания датчиков и корректирует любое обнаруженное смещение. Этот метод эффективен для зданий, которые не используются в течение некоторого времени, например, офисов, закрытых на выходные. В то же время, это смещение не так легко обнаружить и устранить в помещениях, которые используются круглосуточно, например, в отделениях скорой помощи больниц, центрах логистики или на заводах. В таких условиях очень важно использовать надежные датчики, которые обеспечивают точные продолжительные измерения и не требуют постоянной калибровки, что обеспечивает их применение во всех областях, независимо от режима заполненности здания.

Комнатный датчик должен точно измерять уровень CO₂ в любых условиях, а значит, обладать хорошей сопротивляемостью к постепенным и резким изменениям давления, температуры и влажности. Также необходимо учитывать разницу давления на разных высотах, поскольку даже высота 400 метров над уровнем моря приводит к отклонению в измерении концентрации CO₂ на 70 ppm. С учетом того, что некоторые регулирующие органы — например, власти некоторых штатов в США — разрешают допуск в ±75 ppm, это почти исключает возможность ошибки. Поэтому любой высокоэффективный датчик CO₂ должен предусматривать компенсацию абсолютного давления (рис. 2)

Для гарантии длительной стабильности и работоспособности датчика в различных условиях следует проводить расширенные испытания. В связи с этим датчики необходимо тестировать в течение длительного периода времени — в течение нескольких недель — и проверять их работу во всех возможных погодных условиях, делая акцент на условиях, которые оказывают значительную нагрузку на устройство. Например, испытания производительности в условиях влажного тепла без конденсации можно проводить при относительной влажности 95 % и температуре 35 °C; это позволит убедиться в том, что датчик устойчив к коррозии и может сохранять свои рабочие характеристики. С другой стороны, замеры в сухом тепле следует проводить при более высоких температурах — 60–70 °C — чтобы подтвердить отсутствие смещения из-за разницы в коэффициентах расширения материалов. Учитывая, что внутренние температурные перепады также могут играть роль в общей производительности устройства, элементы датчика должны быть изготовлены с учетом минимизации самонагрева.