Sterowniki CO2, czujniki CO2 - zalecenia (cz. 1)

Dariusz Grobel, Michał Konieczny, Andrzej Łobzowski
LAB-EL Elektronika Laboratoryjna S.J.

Artykuł publikowany w piśmie POMIAR nr 5/2010

CO2 - wróg czy przyjaciel?

Dopuszczalne poziomy stężenia CO2 węgla w powietrzu oraz ich wpływ na nasze życie

Dwutlenek (ditlenek) węgla towarzyszy człowiekowi od zawsze. Jest jednym z gazów występujących w powietrzu, którym oddychamy. Jego obecność jest konieczna do zapewnienia fotosyntezy roślin. Bez dwutlenku węgla na ziemi nie mogłoby istnieć życie w formie jaką znamy.

Stężenie dwutlenku węgla w powietrzu nie jest wartością stałą. W przeszłości występowały okresy o znacznie wyższym stężeniu niż obecnie. Na przykład w okresie ordowiku w erze paleozoiku, Ziemia doświadczyła epoki lodowej z szacowanym ponad dziesięciokrotnie większym stężeniem niż dziś.

Okresom wysokiego stężenia dwutlenku (ditlenku) węgla w atmosferze towarzyszył bujny rozkwit roślinności, gdyż intensywność fotosyntezy wzrasta wraz z ilością CO2 w atmosferze. To właśnie tym okresom zawdzięczamy dziś pokłady węgla kamiennego, ropy naftowej i innych nośników energii pochodzenia roślinnego.

Obecnie w naturalnym środowisku stężenie CO2 w powietrzu zwykle nie przekracza 400 ppm (0,04 %) objętości i takie stężenie jest najkorzystniejsze dla oddychającego człowieka.

Współczesny człowiek coraz większą część życia prowadzi w zamkniętych pomieszczeniach, w których z oczywistych powodów stężenie tego gazu zostaje podwyższone. W wydychanym powietrzu CO2 zajmuje nawet do 30000 ppm (3 %) objętości. Stosunkowo niewielki wzrost stężenia CO2 w pomieszczeniu powoduje szybki spadek komfortu odczuwanego przez ludzi oraz powoduje przykre dolegliwości.

Skazani na wentylację

Konieczna staje się wiec wentylacja pomieszczeń, w których przebywają ludzie. Najprostszym, najstarszym i najpopularniejszym sposobem wentylowania pomieszczeń jest wentylacja grawitacyjna. Polega ona na stosowaniu w budynkach pionowych kanałów wentylacyjnych wyprowadzających ciepłe powietrze z górnych części pomieszczenia poza budynek kominem wentylacyjnym na dachu. Świeże, zimne powietrze dostaje się do wnętrza budynku przez odpowiednio wykonane otwory (kratki nawiewowe) lub przez liczne nieszczelności budynku. Ten sposób daje małe możliwości kontroli intensywności wentylacji. Skuteczność wentylacji grawitacyjnej jest zazwyczaj niewystarczająca latem ze względu na brak odpowiedniego gradientu temperatur koniecznego do wymuszenia przepływu gorącego powietrza z wnętrza budynku na zewnątrz. Z kolei zimą różnica temperatur w ogrzewanych pomieszczeniach w stosunku do temperatury panującej na zewnątrz jest na tyle duża, że intensywność wentylacji może stać się zbyt wysoka, co wiąże się ze sporą utratą energii, która ucieka wraz z ciepłym, z trudem ogrzanym powietrzem przez komin na zewnątrz budynku. Dodatkowo skuteczność wentylacji grawitacyjnej uległa znacznemu ograniczeniu wraz z powszechnym od wielu lat stosowaniem szczelnej stolarki okiennej i drzwiowej, która zasadniczo utrudnia dopływ świeżego powietrza do wnętrza budynku.

Wyżej opisanych wad nie posiada wentylacja mechaniczna (np. nawiewno - wywiewna lub nawiewno - wywiewna z odzyskiem ciepła), w której obieg powietrza wymuszony jest przez wentylatory. Wentylacja ta dodatkowo stwarza możliwość sterowania intensywnością wymiany powietrza. Sterownie intensywnością wentylacji na podstawie znajomości aktualnych wyników pomiaru CO2 jest najbardziej optymalnym rozwiązaniem, gdyż jest dostosowana do aktualnych potrzeb i zapewnia minimalne straty energii związanej z zapotrzebowaniem energetycznym funkcjonowania samej instalacji, jak i stratami energii zużywanej na ogrzewanie lub klimatyzowanie pomieszczenia.

Zagadnienia dotyczące prawidłowej wentylacji i maksymalnych dopuszczalnych stężeń CO2 w budynkach zawarte są między innymi w normach : PN-83/B-03430, EN 13779, DIN 1946.

By chronić pracowników przed skutkami nadmiernego stężenia CO2 w każdym kraju ustalane są przepisy ustalające górne limity, które bezwarunkowo nie mogą być przekraczane w miejscach pracy. W Polsce kwestię tę reguluje Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej (Dz. U. nr 79/1998) dotyczące najwyższych dopuszczalnych stężeń szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy. Rozporządzenie to podaje następujące wartości dopuszczalnych stężeń dwutlenku (ditlenku) węgla:

• NDS (najwyższe dopuszczalne stężenie)  0,5 %,
• NDSCH (najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe)  1,5 %.

Życie w komforcie

Współcześni użytkownicy budynków, szczególnie użyteczności publicznej, coraz częściej wymuszają na właścicielach i administratorach obiektów, w których przebywają, zapewnienie odpowiedniego komfortu mikroklimatu pomieszczeń. Historycznie komfort kojarzył się głównie z zapewnieniem odpowiedniej temperatury niezależnie od pory roku. W późniejszym czasie zaczęto zwracać uwagę również na optymalną wilgotność powietrza, która szczególnie w okresie grzewczym bywa zbyt niska. Wraz z rosnącym postępem technologicznym i wymaganiami użytkowników, pojęcie komfortu mikroklimatu pomieszczeń zostało dziś rozszerzone o zapewnienie optymalnego poziomu stężenia CO2. Wymagania dotyczące uzyskania komfortu mikroklimatu w naturalny sposób zakładają pełną automatyzację procesu, zwalniając użytkowników z ciągłego reagowania na zmieniające się warunki w pomieszczeniach, np. zmieniającą się liczbę osób uczestniczących w konferencji lub przebywających w sali kinowej.

Rys. 1. Wykres stężenia CO2 i temperatury zarejestrowany miernikiem LB-850 w sali konferencyjnej,
przy pełnym audytorium. Wentylacja grawitacyjna wspomagana okazjonalnym otwieraniem okien.

Sterowniki CO2

Utrzymywanie niskiej zawartości CO2 w powietrzu poprzez prawidłową wentylację to nie jedyny obszar rosnącego zapotrzebowania na pomiar stężenia tego gazu. W wielu procesach technologicznych i produkcyjnych korzystne jest utrzymywanie podwyższonego stężenia CO2.

Utrzymanie wysokiego, optymalnego stężenia CO2 jest konieczne między innymi podczas magazynowania owoców w komorach zubożonych w tlen. Przechowywane w ten sposób owoce zachowują świeżość przez długi czas umożliwiając wprowadzenie ich do handlu poza naturalnym sezonem, w okresie w którym można osiągnąć znacznie wyższą cenę, a więc maksymalizując zysk. Podobnie utrzymanie wysokiego stężenia CO2 jest niezbędne podczas kontroli parametrów produkcji grzybów np. pieczarek i boczniaków, gdzie stężenie CO2 odgrywa kluczową rolę w procesie ich wzrostu. Także produkcja roślin szklarniowych wymaga utrzymania podwyższonego, optymalnego stężenia co powoduje przyspieszenie procesu fotosyntezy, a w konsekwencji wzrost jakości i wydajności produkcji.

W drugiej części artykułu przedstawiono ofertę firmy LAB-EL związaną z kontrolowaniem stężenia CO2 - sterowniki CO2, czujniki CO2.