2020年03月10日 | 技术文章—NDIR二氧化碳传感器在绿色建筑中的应用

近十几年来，国内外对于室内空气质量的要求和标准不断提升，相应地，也提出了系列标准和规范要求。尤其在近几年，国内在室内暖通风系统、室内空气质量等方面制定或者更新了相关的标准。这些标准中，除《室内空气质量标准》由卫生部、国家环保总局制定颁布外，其余均有中华人民共和国住房和城乡建设部牵头制定和颁布。

其中《绿色建筑评价标准》在十几年的时间内虽然多次修订，但是内容上仍然承前启后，技术手段上也不断有更新。节能、健康、以人为本始终是《标准》的主题。在围绕节能、健康的要求中，建筑的暖通风系统一直是其核心内容之一。

根据《后评估技术指南》，后评估总分达到50,60和70，即可获得及格、良好和优秀的评价。虽然评价不是目的，但是在《后评估技术指南》中，仅暖通风的节能及空气质量两项，总分就达到了83（55+28）分，可见该两项内容的实现对于建筑及使用者而言，重要性不言而喻。

绿色建筑中按需控制的通风系统（DCV）特点

中国在以上标准的制定中，室内CO2的浓度始终是要求低于1000ppm，而平时大气中CO2的浓度一般维持在400ppm注[1]左右。所以，空气质量的监控离不开高精度CO2传感器的应用；另外，暖通风系统的节能实现，也同样离不开CO2传感器的应用，即当前称之为按需控制的通风系统（DCV：Demand Controlled Ventilation）。因为DCV系统通过CO2传感器，可以实时监测室内的CO2浓度值，并适时地根据当前的CO2浓度导入室外的新鲜空气，而不必一直保持新风，避免了无谓的能耗。现在就此简单比较一下基于DCV（蓝色部分）的和固定流量（红色框）的HVAC间的能耗差异。如图一：

对于固定新风量的HVAC系统，其新风量的设计依照相关国家标准就必须按照最高人数的时候进行才可以满足空气质量的规范要求。国外的统计研究表明，基于DCV的HVAC系统与固定新风量比较可节省的费用如表二所示。

保持CO2低浓度的重要性，不仅仅在于它会直接影响所在环境中的人的工作状态，也利于提高人们的工作效率，同时说明当前环境有充足的新鲜空气，大大降低建筑物综合症的风险。CO2指标在某种程度上也可以反映当前环境中其它有害气体的大概状态。因此，在暖通风系统的控制中，CO2传感器起到了举足轻重的作用。有了CO2传感器才可以真正实现按需控制新风量，满足绿色建筑规范的同时实现节能。

空调系统的使用，一般要求都是在10年以上，期间需要系统所有器件的稳定可靠，包括重要的传感器，如CO2传感器。

注[1]  ppm: 一百万分之一，这里按体积计算

Telaire及其CO2传感器

安费诺传感器技术集团（ASTG）旗下的Telaire作为全球第一家研发出低成本的非分散红外（NDIR）CO2传感器以来，生产出了适合多种应用的CO2传感器产品。产品经过多年迭代，性能可靠稳定长达15年以上，这与电化学方式下的漂移、使用寿命短等特性相比具有不可比拟的优势。而NDIR技术也同样在中国的相关检测标准中作为首推检测CO2浓度的技术方式。该产品多应用于：

•建筑/室内空气质量

•气体泄漏检测

•有害区域监测报警

•麻醉病人监护

•酒精呼气测试器

•汽车HVAC空气质量及R744（CO2）泄漏报警

•温室种植

•垃圾填埋场气体泄漏检测

•新能源锂离电池热失控验证管理

Telaire基于的NDIR技术拥有30多项美国及国际专利，其中ABCLogic™技术，赋予了传感器自动校准的功能，使得CO2传感器在使用中器件始终自动保持稳定可靠的测量精度和性能。

NDIR CO2传感器基本原理

非分散红外（NDIR）基本原理就是利用被检气体CO2对红外光区电磁辐射的选择性吸收强度变化的测量来进行的定量分析。

在图二（一）和图二（二）示意图中：

红外光源发出的光经过光腔过程中，被CO2吸收掉部分对应其吸收光谱的红外光能量；

带通滤波透镜对CO2吸收光谱的波段衰减很小，而对其余波长的红外光线充分吸收；

最后与滤波透镜组合一起的热电堆仅能接收到被CO2吸收剩余部分的窄带红外光能量；

检测热电堆的输出信号，经过校准补偿即可对应当前CO2的浓度

而该吸收关系遵循Lambert-Beer定律，即[1]：

（1）

式（1）中：

表示红外光被吸收后的光强度；

表示红外光入射光强度；

表示气体浓度；

表示红外光通过气室光腔的长度；

表示吸收常数。

当传感器的尺寸做到只有（28.9mm×15.6mm×8.61）这么大小的时候，传感器内部的任何构造变动都会对测量精度和稳定性造成影响。因此Telaire的T67xx系列的超小型CO2传感器（如图三），在整个设计中作了专业的努力，使得传感器依然可以保持其稳定和可靠运行的特性。

按需控制的通风系统（DCV）对于其它传感器的需求

DCV暖通风系统性能的实现依靠对几个变量的控制：

•温度

•湿度

•通风

这三大类变量监控中，除了温、湿度两大重要信号需要测量外，也包括标准规范中提到的影响空气质量各种其它物质需要监测（除了CO2，也包括PM粉尘含量，甲醛类（VOC）有害气体含量等）。

在表三中已经看到，Telaire提供的产品方案中，T8100-R款CO2变送器模块已经集成了温度和湿度传感器，同时具备标准的工业化现场接口（该款产品至今仍然可靠地工作在包括如杭州地铁等多个HVAC系统中）。当CO2的测量受海拔高度的影响时，可以利用大气压力传感器进行测量补偿，为此，安费诺的高精度大气压力传感器NPA201系列完全可以胜任。除此之外，安费诺传感集团（ASTG）也提供独立的各类专业的温度、相对湿度传感器，PM2.5粉尘传感器，甲醛类（VOC）有害气体的传感器，还有对于通风系统来说，对过滤网网压监测所需的小量程，高精度和可靠性的（50kPa）的压力变送器等各类型传感器。

作为安费诺的授权分销商，Heilind可为市场提供相关服务与支持，此外Heilind也供应多家世界顶级制造商的产品，涵盖25种不同元器件类别，并重视所有的细分市场和所有的顾客，不断寻求广泛的产品供应来覆盖所有市场。

关于赫联电子（Heilind Electronics）： 

Heilind Electronics（赫联电子）创立于1974年，全球总部位于美国波士顿，已在中国，新加坡，美国，德国，巴西，加拿大和墨西哥设立了超过40处分部。Heilind为电子行业各细分市场的原始设备制造商和合约制造商提供支持，供应来自业界顶尖制造商的产品，涵盖25个不同元器件类别，并特别专注于互连与机电产品。其主要分销产品包括互连器件、继电器、风扇、开关、散热解决方案、套管和线束产品、晶体与振荡器、紧固件与五金件，传感器等。

Heilind以强大的库存、灵活的政策、灵敏的系统、知识广博的技术支持和无与伦比的客户服务为运营理念。2012年12月，赫联电子正式启动其亚太业务。赫联亚太的总部位于香港，除设有销售部外，还设置了区域配送中心和增值服务中心；迄今，赫联亚太已在香港、上海、北京、青岛、苏州、常州、武汉、西安、深圳、东莞、重庆、厦门、台北、新加坡、马来西亚、印度、泰国、菲律宾、越南、印度尼西亚等地开设23处分部和3处仓库(香港、新加坡和苏州)，致力于将分销的核心价值带回业界。更多信息，请访问www.heilind.com ; www.heilindasia.com；微信、 微博、 脸书及推特。

关于安费诺先进传感器（Amphenol Advanced Sensors）:

安费诺先进传感器是安费诺传感技术集团（Amphenol Sensors Technology Group）旗下的业务部门之一，是研制和生产传感元件、环境监测设备和系统的行业领导者。其产品对温度、湿度、压力、气体等进行测量和校准，向客户提供关键信息，帮助客户做实时决策，应用领域覆盖交通、医疗、工业和医药等行业。安费诺先进传感器致力于温度，压力，湿度和气体的测量，环境监测系统等方面的技术研究，为更安全，智能和健康的生活提供定制化的传感器解决方案。