XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Введение

Концентрация углекислого газа в помещении является одним из основных критериев комфортного ощущения человека, наряду с температурой и влажностью. Обеспечение оптимальной концентрации CO₂ является важной задачей как в бытовой, так и в производственной и образовательной деятельности [1-4].

Роль углекислого газа в жизнедеятельности человека

Углекислый газ— бесцветный газ (в нормальных условиях), почти без запаха, с химической формулой CO₂. Плотность при нормальных условиях 1,98 кг/м³ (в 1,5 раза тяжелее воздуха). Он является одним из основных продуктов жизнедеятельности человека. И в то же время углекислый газ - одно из важных условий для существования растительности на Земле.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляет в среднем 0,04% (400 ppm). Он поглощает испускаемое Землёй инфракрасное излучение и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления. Постоянный рост уровня содержания этого газа в атмосфере наблюдается с начала индустриальной эпохи.

Организм человека выделяет приблизительно 1 кг углекислого газа в сутки. Он образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма. Кроме того, углекислый газ также важен в регуляции дыхания. В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. Дыхательный центр гораздо более чувствителен к повышению уровня углекислого газа, чем к нехватке кислорода.

Углекислый газ нетоксичен, но при вдыхании его повышенных концентраций в воздухе по воздействию на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам. По ГОСТ 8050-85 [5] углекислота относится к 4-му классу опасности.

Незначительные повышения концентрации, вплоть до 2—4 % (20000 – 40000 ppm), в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. Опасными для здоровья концентрациями считаются концентрации около 7—10 % (70000 – 100000 ppm), при которых развиваются симптомы удушья, проявляющиеся в виде головной боли, головокружения, расстройстве слуха и в потере сознания, эти симптомы развиваются, в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа.

При вдыхании воздуха с очень высокими концентрациями газа смерть наступает очень быстро от удушья, вызванного гипоксией.

Несмотря на то, что даже концентрация 5—7 % CO₂ в воздухе не смертельна, но при концентрации 0,1 % (1000 ppm, такое содержание углекислого газа иногда наблюдается в воздухе крупных городов), люди начинают чувствовать слабость, сонливость. Это показывает, что даже при высоком уровне кислорода, большая концентрация CO₂ существенно влияет на самочувствие человека. Следовательно, качество воздуха в значительной степени определяется количеством содержания углекислого газа в нём.

Допустимые значения концентрации углекислого газа в помещениях

Специалисты предлагают перечни нормативов, причем для зданий разных назначений они будут различными.

Проектировщики многоквартирных и частных домов берут за основу ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»[6]. Этот документ оптимальным для здоровья человека уровнем CO₂ считает 800 — 1000 ppm. Отметка на уровне 1400 ppm – предел допустимого содержания углекислого газа в помещении. Однако уже 1000 ppm не признается вариантом нормы целым рядом исследований, посвященных зависимости состояния организма от уровня CO₂. Их данные свидетельствует о том, что на отметке 1000 ppm больше половины испытуемых ощущают последствия ухудшения микроклимата: учащение пульса, головную боль, усталость и, конечно, пресловутое «нечем дышать».

Нормативы содержания углекислого газа в воздухе: для офисов, учебных заведений, квартир и домов: приемлемым считается 800 – 1400 ppm, для детских учреждений 800 ppm и менее. Однако, исследования физиологов показали, что уже 1000 ppm доставляет дискомфорт каждому второму.

Таблица 1. Нормы углекислого газа в жилых помещениях

Но если для человека увеличение концентрации углекислого газа губительно, то для растений он является одним из основных элементов в процессе фотосинтеза. Дефицит СО₂является более серьёзной проблемой, чем дефицит элементов минерального питания – в среднем, растение синтезирует из воды и углекислого газа 94% массы сухого вещества, остальные 6%, растение получает из минеральных удобрений. Это особенно важно для теплиц, являющихся закрытым, обособленным помещением.

В связи с этим точность измерения концентрации СО₂ в закрытом помещении, зависимость скорости её увеличения/уменьшения от количества присутствующих в помещении людей, имеет важное значение для организации учебных, производственных процессов, увеличения повышения работоспособности людей, а также увеличении урожайности в тепличных хозяйствах.

Методы приборного измерения концентрации CO₂ в воздухе.

Существует несколько видов датчиков, работающих по разным принципам:

- электрохимические;

- электроакустические;

- лазерные;

Принципы действия, достоинства и недостатки датчиков изложены ниже.

Электрохимические датчики.

Эти датчики обычно состоят из электрохимической ячейки с твердым электролитом. Дополнительным накалом данную ячейку нагревают до рабочей температуры. На электродах ячейка происходят химические реакции аналогичные происходящим в топливной ячейке, когда потребляется кислород, а на электродах ячейки образуется электродвижущая сила. Затем измеряя данную электродвижущую силу с помощью специальной электроники определяется концентрация CO₂ в воздухе. Основным преимуществом этих датчиков является высокая чувствительность и превосходная селективность в диоксид углерода. Они обычно дешевле, чем датчики NDIR, но с несколько более кратким сроком службы и меньшей точностью, но все же достаточной для использования в установках вентиляции.

Датчики, работающие по электрохимическому принципу, работают от 400 ppm, что с учетом концентрации в наружном воздухе, составляющей около 360–400 ppm, вполне допустимо. Эти датчики обычно оснащены встроенной функцией автокалибровки, обеспечивающей автоматическую периодическую перекалибровку датчика на свежий воздух. Это элиминирует старение датчика, что обеспечивает долговременную стабильность параметров.

Пример доступного электрохимического датчик - датчик MG811 [7]

Особенности:

- хорошая чувствительность и селективность к CO2;

- низкая влажностная и температурная зависимость;

- длительную стабильность и воспроизводимость;

- большое энергопотребление на разогрев электрохимической ячейки.

Значительное энергопотребление электрохимическими датчиками привело к тому, что они интенсивно вытесняются датчиками следующих типов.

Лазерные NDIR датчики

NDIP - недисперсионное инфракрасное излучение. Эти датчики работают по принципу измерения ослабления инфракрасного излучения в воздухе. Датчики состоят из источника инфракрасного излучения, световодной трубки и инфракрасного детектора с соответствующим фильтром. Сигнал от инфракрасного детектора усиливается и затем с помощью дополнительной электроники оценивается ослабление излучения, вызванное диоксидом углерода, исходя из чего вычисляется текущая концентрация CO₂ в воздухе. Для упрощения: чем больше CO₂, тем больше ослабевает инфракрасное излучение, причем электроника в датчике способна определить это. В качестве примера подобных датчиков можно привести модели K30 [8], MH-Z19 [9] и др.

В экспериментах на основе которых была выполнена данная работа, использовался прибор AZ 7722, оснащенный датчиком типа NDIR, откалиброванным в заводских условиях.

Датчики NDIR типа имеют следующие характеристики:

- высокая точность;

- долгосрочная стабильность;

- встроенная компенсация влажности и температуры4

- измерение концентрации от 0 ppm;

- большой диапазон измерения концентраций;

- низкое энергопотребление;

- высокая стоимость.

В настоящее время, это один из самых распространенных типов датчиков концентрации СО₂.

Электроакустические датчики

Электроакустические датчики работают по принципу оценки изменений частоты колебаний ультразвука в механическом резонаторе. С помощью электроники оценивается изменение частоты колебаний ультразвуковых волн, а на основании зависимости изменения частоты колебаний от концентрации CO₂ в воздухе определяется текущая концентрация CO₂.