Сензори за контрол на микроклимата в сгради

Измерване концентрацията на CO2, влажност на въздуха, температура и осветеност

Съвременната концепция за автоматизирано управление на микроклимата в сгради се базира на използването на различни типове сензори, изпълнителни механизми и системи за контрол. Информацията, събрана от датчиците, се предава на контролер, който сравнява текущите стойности на следените променливи с предварително въведените базови стойности и изпраща управляващи сигнали към съответните изпълнителни механизми. По този начин се постига оптимална работа на климатизацията, осветлението или вентилацията с оглед поддържане на комфортен микроклимат при минимален разход на енергия.

Така например, осветлението в отделните помещения би могло да се включва или изключва от съответната подсистема в зависимост от отчетено присъствие от сензори за движение или нивото на естествената осветеност в помещенията. На подобен принцип са базирани и техническите възможности за контрол и управление на отоплителната и вентилационната инсталация.
Разбира се, работата на системите би могла да се базира и на предварително зададени времеви режими (дневен, седмичен или друг), но като най-рационално се приема управлението в реално време, основано на показанията на различни видове сензори.

Сензори за въглероден диоксид
Качеството на въздуха в помещенията зависи преди всичко от концентрацията на CO2.

Количеството въглероден диоксид може да се измерва постоянно или периодично, като при надвишаване на максималното ниво от 0.1%, препоръчано от DIN 1946, обикновено се включва вентилационната система. Измерването на концентрацията се осъществява чрез CO2 сензори. Обикновено този тип сензори са съставени от инфрачервен източник, който излъчва чрез направляващи диполи, оптичен филтър, който пропуска само необходимата дължина на вълната и детектор, който измерва количеството на инфрачервеното излъчване. Колкото по-висок е делът на CO2 в помещението, толкова по-малко инфрачервени лъчи ще достигнат до детектора.

Тези сензори могат да съдържат и един пропорционален регулатор или/и прост ограничителен прекъсвач, така че да бъдат приложими за директно управление при прости решения. Във всички случай има линеен изходящ сигнал 0…10 V или 4…20 mA, който представя концентрацията на CO2 в ppm (parts per million). Според точността на сензора и изискванията, този изходящ сигнал може да се мащабира за различни обхвати на измерване. По правило сензорите трябва да покриват обхвата от 0…2000 ppm CO2. Измерването се основава на абсорбционните качества на CO2. Този газ може да се филтрира селективно сред всички останали газове, така че да се постигнат много точни резултати от измерването.

Сензорите за СО2 се приемат като особено важен елемент на системата за вентилация на голямогабаритни помещения с широка вариация в броя на хората. По-големите пространства позволяват концентрацията на замърсителите да нараства по-плавно. Сензорите за въглероден диоксид успяват сравнително бързо да отговорят на промените в средата, което позволява лесно поддържане на подходяща вентилация при промяна в броя на хората. Сред основните предимства на вентилационните системи със сензори за въглероден диоксид е, че вентилационната система би могла да реагира адекватно при голяма разлика между броя на хората, пребиваващи в едно помещение. Недостатък на този тип сензори е, че те засичат локалната концентрация на въглероден диоксид и е възможно да не отчетат нуждите на цялото пространство. Сензор, поставен в близост до вход или във вътрешна зона, би могъл да отчете по-високи или по-ниски от действителните стойности. Един сензор, поставен във въздуховод за рециркулационен въздух, отчита средната концентрация на въглероден диоксид на преминаващия през него въздух. В този случай не се отчитат реалните условия в стаята, късият циркулационен кръг на въздуха и концентрациите, които напускат помещението през отворени врати и прозорци.

Измерване на влажност на въздуха
Друга важна характеристика на въздуха в помещенията е неговата влажност. Като оптимални стойности се посочват 40-70% влажност, но според стандартите в някои страни този диапазон е стеснен до 40-60%. При измерването на влажността се използват понятията абсолютна и относителна влажност на въздуха. Абсолютната влажност показва съдържанието на вода (водни пари) в единица обем. Обикновено се посочва като грамове в кубически метър (g/m3). Абсолютната влажност не зависи от околната температура, налягането и т. н.

Относителна влажност е мерна единица за отношението между количеството водна пара, намираща се във въздуха и максималното количество водна пара, което въздухът може да поеме при една и съща температура на въздуха. Изразява се в проценти.

За регулиране на относителната влажност на въздуха в помещенията като подходящо решение се приема използването на система за вентилация, включваща подаване на 100% външен въздух. На практика обаче най-голямо разпространение са получили системите с механично изсушаване на рециркулационен въздух в съчетание с различни мерки за енергоспестяване. Относителната влажност може да бъде регулирана и чрез използването на влагопоглъщащи вещества, но високата стойност на оборудването и високата температура на подавания въздух възпрепятстват масовото им използване.

Температурни датчици
В практиката намират приложение основно два метода за автоматичен контрол на отоплителните системи - чрез измерване на температурата на въздуха в помещения или измерване на външната температура. Често се използват стайни термостати, предназначени за автоматично управление на изпълнителните механизми (котли, помпи и др.) в системите за отопление /охлаждане в зависимост от температурата на въздуха в помещението. В някои от тях чувствителният елемент представлява сдвоена метална диафрагма, пълна с разширяващ се от температурата газ.

При управлението на ОВК инсталациите на база на външната температура, обикновено се използва контролер с компенсация по външна температура, който в зависимост от избрания модул с приложенията служи за управление на котела, абонатната станция или климатичните инсталации и вентилацията.

Датчици за осветеност
Както и в областта на вентилацията и отоплението, управлението на осветлението в сградата може да бъде базирано на първоначално зададен режим на работа или да е функция на информацията, получена от различни сензори. Така например, оптималният баланс между естествено и изкуствено осветление в сградите би могъл да се постигне чрез управление на осветлението в зависимост от дневното слънчево греене. За целта се използват фотоелектрически датчици и различни системи за автоматично управление на осветеността. Датчиците сравняват реалните с предварително зададените стойности на осветеност в помещенията и подават сигнал към механизмите за контрол на щорите или други засенчващи устройства. Това спомага за намаляване на контрастите в пиковите часове на деня, избягване на отблясъците и създаването на приятна атмосфера, без да е необходима намеса от страна на обитателите на сградата. Освен това снижава разходите за изкуствено осветление, което, както е известно, съставлява до 35% от енергийните разходи на търговските, обществени и административни сгради. Чрез рационално използване на естественото осветление този разход може да бъде намален.

Мултисензор за микроклимата
Наскоро немски учени представиха проект, който проучва възможностите за многофакторно измерване на вътрешния климат с един сензор. За момента разработеният прототип измерва температура, влажност на въздуха и концентрация на въглероден диоксид, но с времето учените планират да разширят функционалността му. Сензорът може да се използва в сградни климатични системи и в автомобилната вентилация.

Интегрирането на няколко сензора в един ще намали производствените разходи и размера на сензора и ще го направи достъпен за повече частни потребители, твърдят учените. Засега изборът на внедрените сензори включва метален термистор за температурни измервания, покрит с полиамид кондензатор, който измерва влажността, и вълноводни сензори за въглероден диоксид.