Udfordringerne ved at måle CO2 i indendørs luft

CO2-niveauer har længe været brugt som en indikator for indendørs luftkvalitet, og derfor er mange moderne HVAC-systemer udstyret med CO2-sensorer. Men for at disse sensorer kan være nøjagtige, er der mange faktorer, der skal tages i betragtning og behandles.

Mangel på frisk luft

De sundhedsmæssige fordele ved frisk luft er ubestridelige. Manglen på frisk luft påvirker vores helbred og evne til at fokusere. Desværre er det i denne travle verden kun få af os, der har mulighed for at tilbringe så meget tid udendørs, som vi måske gerne ville. I gennemsnit tilbringer vi op til 90 % af vores liv indenfor, og det meste af den tid opholder vi os i vores hjem. Selv om vi regelmæssigt forlader vores hjem, foregår en stor del af den tid, vi tilbringer uden for hjemmet, på et andet indendørs sted, f.eks. på et kontor, i en restaurant eller i en butik. Dette viser tydeligt vigtigheden af, at indendørs luft er af høj kvalitet, og behovet for korrekt overvågning af CO2-niveauet. Især på steder med mange mennesker.

Indvirkning på sundhed og produktivitet

Selv om høje CO2-niveauer og dårlig luftkvalitet ikke er synonyme, er forhøjede CO2-koncentrationer et godt tegn på, at rummet har brug for ekstra ventilation. Desuden går en stigning i CO2 ofte hånd i hånd med en stigning i koncentrationerne af flygtige organiske kemikalier (VOC), da begge dele udledes af mennesker. Det er almindeligt kendt, at dårlig luft – især høje VOC-værdier – kan være skadeligt for helbredet og øge risikoen for overførsel af luftbårne virus, såsom SARS-CoV-2. Derudover har mangel på frisk luft også stor indvirkning på produktiviteten og evnen til at fokusere – hvilket bakkes op af adskillige undersøgelser.

Behovsstyret ventilation

Ekstremer er aldrig gode, og det gælder også for ventilation. HVAC-systemer, der konstant arbejder på maksimal kapacitet, vil føre til et højt energiforbrug og dermed til uforholdsmæssigt høje elregninger, især i meget varme eller kolde perioder. Det er derfor ikke overraskende, at behovsstyret ventilation i dag betragtes som den gyldne standard for HVAC-systemer. CO2-koncentrationen anvendes ofte som en styringsparameter, da den er tæt forbundet med luftkvaliteten. Denne anvendelse er afhængig af sensorer, der leverer nøjagtige oplysninger om CO2-niveauet og aktiverer systemet, når en bestemt grænse er nået. Selv om komfortnormerne varierer rundt om i verden, er der enighed om, at CO2-niveauet altid skal holdes under 1.000 ppm og ikke må overstige 1.500 ppm i længere perioder. Et godt kompromis er at måle og justere CO2-niveauet hvert 30. sekund, hvilket holder luften frisk og energiregningen lav.

Dobbelt detektormetode

En almindelig CO2-sensor består af en lyskilde og to detektorer (figur 1). Når lyset passerer gennem målekammeret, der er fyldt med den omgivende indendørs luft, absorberes det af de tilstedeværende molekyler. Den ene detektor har et filter med et vindue på ca. 4,3 µm – som svarer til et højdepunkt i CO2-absorptionsspektret – hvilket betyder, at den kun registrerer blokering af lyset som følge af tilstedeværelsen af CO2-molekyler. Referencedetektoren måler derimod den ufiltrerede lysintensitet, hvilket gør det muligt at bestemme CO2-niveauet ved at sammenligne de to målinger. Den dobbelte sensorkonstruktion er også med til at modvirke fald i lysintensiteten, der skyldes nedbrydning af lyskilden eller små støvpartikler. For yderligere at øge sensorernes robusthed bør de forsynes med et støvdæksel, der forhindrer partikler i at forstyrre detektorerne. (se fig. 1 i billedoversigt)

Langtidsstabilitet

Selv om den to-kanals metode anses for at være nøjagtig, kan den alene ikke garantere stabile langtidsmålinger, da basislinjen kan begynde at glide over tid på grund af sensorelementernes ældning. Dette kan løses ved hjælp af automatisk basislinjekorrektion (ABC), som konstant følger sensorernes laveste aflæsning og korrigerer for enhver afdrift, der registreres. Denne fremgangsmåde fungerer godt i bygninger, der er ubenyttede i perioder, f.eks. kontorer, der er lukket i weekenden. Afdriften er imidlertid ikke så let at identificere og korrigere på steder, der er optaget døgnet rundt, f.eks. skadestuer på hospitaler, logistikcentre eller fabrikker. Det er derfor afgørende at anvende robuste sensorer, der giver nøjagtige langtidsmålinger uden behov for konstant kalibrering, så de kan anvendes i alle applikationer, uanset belægningsmønstre.

Også under tryk

En rumsensor skal kunne måle CO2-niveauet nøjagtigt under alle forhold, hvilket betyder, at den skal have en god modstandsdygtighed over for både gradvise og akutte ændringer i tryk, temperatur og fugtighed. Der skal også tages højde for trykforskellene i forskellige højder, da en højde på blot 400 m over havoverfladen medfører en forskydning på 70 ppm i den målte CO2-koncentration. I betragtning af at nogle myndigheder – f.eks. flere delstatsregeringer i USA – kun tillader en tolerance på ±75 ppm, efterlader dette næsten ingen fejlmargin. Enhver CO2-sensor med høj ydeevne bør derfor omfatte absolut trykkompensation (se fig. 2 i billedoversigt).

Grundig test og kontrol

Der bør udføres omfattende tests for at sikre, at sensoren kan fungere under forskellige forhold for at sikre stabilitet og funktion på lang sigt. Sensorerne bør derfor afprøves over en længere periode – flere uger – hvor alle mulige vejrforhold dækkes, og der fokuseres på de vejrforhold, der er kendt for at belaste enheden meget. F.eks. kan man teste den ikke-kondenserende vådvarmeydelse ved 95 % relativ luftfugtighed og 35 °C for at sikre, at sensoren udviser korrosionsbestandighed og kan opretholde sin ydeevne. På den anden side bør tørvarmemålinger udføres ved højere temperaturer – 60-70 °C – for at bekræfte, at der ikke opstår afdrift på grund af forskellen i materialernes ekspansionskoefficienter. Da interne temperaturgradienter også kan spille en rolle for enhedens samlede ydeevne, skal sensorelementerne bygges på en måde, der minimerer selvopvarmningen.

Resume

I takt med at vi tilbringer mere og mere tid indendørs, bliver det stadig vigtigere at overvåge luftkvaliteten indendørs, hvilket kan gøres ved at måle CO2-niveauet. Mange organisationer vælger derfor HVAC-systemer, der regulerer luftstrømmen på baggrund af CO2-niveauet. For at kunne levere den korrekte mængde luft uden at overventilere skal disse systemer være udstyret med pålidelige sensorer. Selv om de fleste sensorer er nøjagtige i starten, kan de vise sig at være ustabile i det lange løb og kræve hyppig rekalibrering. Denne fremgangsmåde kan være effektiv i visse situationer, men fungerer ikke i lokaler, der konstant er i brug. Det er derfor en fordel at vælge robuste sensorer, der kan give korrekte målinger uden konstant justering. Belimos sensorer er designet med alle disse overvejelser i tankerne og kan levere langtids nøjagtige målinger af CO2 under stort set alle forhold til indendørs luftkvalitetsapplikationer.

Yoram Mottas, Systems Engineer for Sensor Development
Dr. Sebastian Eberle, Head of Development Environmental Sensing Technology