二氧化碳传感器在通风控制系统中的应用

　　关键词：二氧化碳传感器　通风控制　楼宇自控　环境控制　NDIR

第一部分　二氧化碳的特性及其传感器的应用领域

我们的地球被一层大气包围着，其中氧气占21％，78％是氮气，1％是其它气体。这1％气体当中，就有只有一小部分为二氧化碳气体，约为300ppm（百万分之一，即0.03％），它比空气重1.5倍；可吸收红外波（），产生温室效应。

二氧化碳在空气中的含量越高，对人体的影响就越大，当二氧化碳含量高出0.7％时，人体就会感到不舒服，当超过10％时，人体就会出现昏迷和死亡。达到20％，人就会在几秒内死亡（详见图１）。因此在人群比较密集的地方，二氧化碳含量是一个非常重要的参数，直接关系到人体舒适度和安全。但是它又是植进行光合作用的重要元素，也可以说，没有二氧化碳，也就没有自然界的生机勃勃。也正因为此，在做植物实验时，二氧化碳的是一项必要的参数。在化工行业，经过化学反应，会产许多高浓度的二氧化碳气体，而在啤酒、可乐等饮料中，又必需添加二氧化碳；把二氧化碳和氮气混合成“理想”的气体，作用于生鲜食品的充气包装，则能使生鲜食品内部细胞的活性维持一定时间，延缓其生命过程，保持一定程度的生鲜状态。因此，由于二氧化碳气体这些特性，使得像机场、大厦、办公室、厂矿、温室、实验室、化工、食品保鲜等行业都会需要对二氧化碳值进行测量。

　　　　　　　　图一：二氧化碳含量所产生的影响

而对于二氧化碳气体的测量方式，以NDIR1最优。由于在1990年代开始，硅微切削加工的热电堆已在商业上进入了红外检测器领域，因其需求和市场容量的超常增长，价格迅速降低，而应用NDIR技术的二氧化碳传感器使用时间长，便于保养等特性，更使得其被广泛的用于楼宇通风控制和环境系统中。以下我们就简单的介绍一下，二氧化碳传感器在楼宇通风控制中的应用。使得NDIR产品迅速占领市场。而用量最多的，便是楼宇通风（环境）控制领域中。因此，我们在这里着重论述二氧化碳传感器在楼宇通风控制领域中的应用。

第二部分　简单介绍二氧化碳传感器在通风控制领域的应用

根据相关标准，室内二氧化碳(CO2)的浓度和通风率之间有着密切的关系。无论是在空间内, 人多或是少的情况下，此系统能有效地节约宝贵的能源和保持室内良好的空气品质。一般上, 安装以CO2控制为基础的通风控制系统带来的好处显现, 设备的投资可在两年内由所节省的能源得到回报。目前，这种通风控制系统已经被广泛地应用在带有先进大楼集中管理(BMS)系统的智能化楼宇群中。当没有BMS系统时，可根据如下的系统线路图，将本系统应用在需要实现通风控制的环境中。

如下图，整个自动化通风系统的最小组成包括：一个eSENSE2传感器及一个PP-116电源模块（可以提供传感器24VDC电源和控制换气扇230VAC电源的继电开关）。

eSENSE CO2 传感器

空调空间　

　图二：co2 sensor 在通风控制中的简单应用

第三部分　二氧化碳参数在HVAC的重要性及应用

首先介绍一下HVAC，HVAC代表加热、通风和空调，而IAQ代表室内空气质量。为保持能量损耗低，使用几乎封闭的加热和空调系统。根据室内人数或由于其它活动（例如用气体烹调），空气质量下降，这可以通过测量CO2 的水平来检查。缺乏适当通风常常与其它污染物的聚集有关，这些污染物对建筑物居民或车辆或其它封闭区域的人可能更危险的影响。相应的通风不但对人员的舒适重要，也对加热和空调系统的经济运行重要。美国OSHA (职业安全和健康管理局)，对CO2 列出STEL(最大短期暴露极限，15分钟) 30，000ppm 和 TWA (时间加权平均暴露极限，8 小时) 5，000 ppm的标准。

OSHA在1995年对室内空气质量规则有一些建议，如果CO2 水平超过了800 ppm，则需要新鲜空气供应。

因此，CO2在HVAC里是一个非常重要的参数。而室内CO2的浓度和通风量之间有着密切的关系。无论是在空间内, 人多或是少的情况下，此系统能有效地节约宝贵的能源和保持室内良好的空气品质。一般上, 安装以CO2控制为基础的通风控制系统带来的好处显现, 设备的投资可在两年内由所节省的能源得到回报。

CO2传感器在楼宇通风控制中，被广泛应用于机场、办公大楼、购物中心、训练中心、医院、工厂车间、地铁、电影院等人群聚集娱乐和活动的高级场所。

图三：二氧化碳传感器的应用环境

对于较大的楼楼自控公司，各自均已经有了一套完整的解决方案。 基本上，一个大楼自动化分为3 层： 在最底层是采集数据部分，中间一部分为数据处理层，而最高层是信息层，见(图1)。 此自控系统在结构上也是按照欧洲标准委员会CEN/TC 247工作的。按照此标准更进一步提高了对复杂的大楼实施自动化控制。

图四：楼宇自控系统与CEN/TC 247(左)通讯标准联网的阶层。

在楼宇自控中，楼宇自控中的传感器的主要功能就是为了使整个大楼更安全、节能、舒适。而二氧化碳传感器和其它传感器一样，都属于最底层。它们把自己所测到的值通过数字或模拟信号，传送给数据采集器。之后再通过数据采集器传给中央处理器。中央处理器再通过控制器来控制各设备的动作（如图五）。通过中央处理器，二氧化碳传感器的主要功能就是调节大楼里的新风量，以保持室内空气清新。节约空调和通风机的能量消耗。

图五：楼宇自控原理图

第四部分　总结二氧化碳传感器的在楼宇自中的优点

对于大多数的居住者或使用者，智能化大楼所能提供便利设施，人们都是感到高兴的。

但是对于投资者：我们能节省多少？有多少钱？投资多久可以见效益？而计算出来的结果，测是仁者见仁，智者见智。但对于一座大楼自动化系统，仅使用二氧化碳传感器所能体现出的优势，主要表现在以下三点：

1. 改善居住环境，使人的感到更为舒适。 即使不知道二氧化碳传感器的作用，人们还是喜欢住在更为舒服的地方，希望美好的环境来带来更舒适的商务空间。一种好的室内的空气氛围可以带来更大的效率。良好的通风更容易有害气体的散发，消除能导致急性病等不健康因素的危险，如气喘病，石棉，癌症，等等的发生。

2. 降低能源消耗。 像通过在每个点上控制温湿度，实际需求的来照明一样，来通二氧化碳含量来控制新风的换送，使环境保持最佳舒适度时，而运行费用被减到最小。 这样也就使得全球环境能源的消耗与增加的全球温室效应(图六)随之放慢速度，一起降低。 而且，根据1997《京都议定书》，国家现在正在努力的减少温室效应，提倡绿色节能型住宅！

3. 更低的维修费用。 在智能楼宇的管理中，通过监控整个系统组件，大楼管理者可以以更佳有效率的方式设计并且执行维修，而实际的维修情况主要基于维修的实际需要而不是一张预先决定的时间表。 在任何情况出毛病之前，性能退化和其他可能的损坏的迹象的分析，可以提供必要措施采取预防。这样便可以用正常的工作时间维修，替换昂贵的紧急事件修理带来的额外损害！

图六：全球背景中夏威夷监控的二氧化碳含量的增加

随着人们生活水平的日益提高，传感器成本的再一步下降，及绿色节能概念的深入，二氧化碳传感器在楼宇及家庭绿色环保使用中会更方泛，更能体现出来的优势。它带给人们的将是更美好，更环保，更节能的绿色生活！

1.

CO2分子 其它分子

缩写NDIR代表非色散红外，它原来指的是使用称之为光声传感器的一种检测器类型。在此情况下，感测元件是一个闭合的小室，它容纳了一个微音器和要检测的气体，射入小室的IR光(CO2的吸收的中心红外波长为4.00±0.080um)由于吸收过程加热了气体。此加热伴随着可被微音器感测的压力上升。特殊气体注入外壳，保证了只有那些对应于该气体特性吸收线的IR波长才能产生信号。这样，由于在IR源和光声传感器之间的相同吸收过程，任何信号损失将导致感测室内信号的变化。这一类的传感器基于真实的材料比较而不需要任何IR选择（色散）元件，因此选择了NDIR方法这个名称。

2.Esense为瑞典SenseAir专门为楼宇公司设计生产的CO2产品。

3.BACnet是楼宇自控网络协议，它是楼宇自控领域的标准，制定这个标准的目的是为了使不同的生产商提供的控制设备能够相互操作，也是业主不再仪赖特定的私有技术。于1987年开始研发，1995年首次发布。由美国暖通空调和制冷工程师协会（ASHREA）制定。

参考资料：

1. 《SMART SENSORS REPLACE EXPENSIVE BUILDING CONTROLSYSTEMS》Hans Martin SenseAir AB, Sweden

2. www.senseair.com

3. 《BACnet技术与应用浅析》周泓

4. 《采用eSENSE或VC1008 二氧化碳(CO2)传感/控制器的自动化通风控制系统》Raymond Chang Telasia Symtonic Pte Ltd

5. 《存在于下水道中的危险》Grunwald, Marc / GfG

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