Mange vigtige detaljer på plads i designet af Belimos nye rumsensorer

Behov for præcise og pålidelige rumsensorer

Kvaliteten af rumsensorernes kvalitet er vital for et velfungerende moderne HVAC-system med behovsstyret ventilation. Det er som bekendt svært at styre noget, man ikke måler. Og hvis ikke målingerne er både korrekte og præcise, bliver styringen lige så upræcis og tilfældig.

Derfor ligger der et virkelig stort og grundigt arbejde i at udvikle og konstruere rumfølere, der kan måle f.eks. CO2-niveau og temperatur korrekt – uanset i hvilken bygning, rumføleren bliver monteret.

Her præsenterer vi nogle af de udfordringer og detaljer, Belimos udviklingschef for miljøsensorteknologi, Dr. Sebastian Eberle, og hans kollega, systemingeniør for sensorudvikling Yoram Mottas, mener er afgørende for at skabe gode, præcise og hurtige rumsensorer.

Meget lav fejlmargin

HVAC skal yde komfort for en bygnings brugere, så de har det godt og kan være fokuserede og/eller afslappede. Men faktisk er det kun inden for et ret lille spektrum af temperaturer mellem 19 og 26 °C, at vi mennesker føler os godt tilpas – alt efter luftfugtigheden – jf. figuren herunder. Bliver der varmere eller koldere, går det ud over velværet.

Mennesker har det bedst inden for et snævert vindue af temperatur og luftfugtighed.
(Illustration: Prof. Dr.-Ing. Wolfram Frank, professor emeritus ved fakultetet for naturvidenskab og teknologi, Siegen Universitet, Tyskland)

Selv om det lyder utroligt, kan mange mennesker mærke temperaturændringer på bare en halv grad. Det stiller store krav til HVAC-systemer, der skal styre et indeklima. Og da de fleste sensorer har en usikkerhed på 0,2 °C, skal den færdige enhed konstrueres, så den højst giver en fejlmargin på 0,3 °C, for at anlægget kan give den optimale komfort – og overholde industristandarderne.

 

Testet under præcist styrede forhold

For at sikre pålideligheden må sensorer gennemgå omfattende og langvarige tests – flere uger – hvor forskellige vejrforhold og miljøpåvirkninger kan afprøves for at sikre stabilitet og funktion på lang sigt.

Det sker i et testkammer med nøjagtigt kontrollerede miljøforhold, hvor f.eks. temperatur og luftfugtighed kan styres meget præcist. Her kan man bl.a. teste den ikke-kondenserende vådvarmeydelse ved 95 % relativ luftfugtighed og 35 °C for at sikre, at sensoren opretholder sin ydeevne og udviser korrosionsbestandighed. Ligesom man kan afprøve tørvarmemålinger ved endnu højere temperaturer – 60-70 °C – for at sikre, at forskelle i materialernes ekspansionskoefficienter ikke giver afdrift.

Test og kontrol kan ske under en opstilling som den, der er vist herunder:

Belimo har brugt en testopstilling som den her visualiserede til at designe sensoren og vurdere dens ydeevne under forskellige forhold.

 

Testkammeret, hvor sensoren er anbragt, forsynes med en laminær luftstrøm, der efterligner strømninger i indeluften. Den styres præcist fra 0,05 m/s til 0,3 m/s. Testkammeret er placeret inde i et isoleret skab, hvor temperaturen kan reguleres med en nøjagtighed på 0,1 °C og meget hurtigt.

 

Dette testkammer giver også mulighed for at teste bl.a. luftfugtighed og forskellige strømforsyningsspændinger. Se selve testkammeret præsenteret af Belimos Head of Research, Roman Kappeler, i denne korte video.

[Film5]

 

Kvalificeret design af sensorenheder

De omfattende data, der indsamles ved hjælp af testanlægget, er brugt til at designe sensoren og maksimere dens ydeevne. Resultaterne har bl.a. været en forbedret forbindelse mellem føleelementet og rummets faktiske temperatur ved at optimere udformningen af luftventilerne i enheden og ved at ændre luftstrømningskanalernes placering og form.

 

Undgår selvopvarmning med fysisk adskillelse

Det er også vigtigt, at rumføler-enheden konstrueres, så den varme, der kan genereres af enhedens egne elektroniske komponenter, ikke påvirker målingerne. Følerelementet skal med andre ord isoleres – samtidig med, at det skal være en del af det samlede design. Varmekortet her illustrerer, hvordan det kan gøres:

Temperaturvariationer på tværs af en sensors printkort/PCB.

Sensorenhedens printkort er delt i to fysisk adskilte sektioner, som kun er forbundet med tynde bærestykker. Selve følerelementet sidder til højre, mens de elektroniske komponenter, der kan afgive varme – f.eks. strømkilde og mikrocontroller – er placeret til venstre. Som det ses af illustrationen bliver den venstre del af printkortet varm, uden at varmen breder sig til området med følerelementet. Varmen bliver bremset af den fysiske adskillelse, og fordi kobberjordplanerne i de to kredsløb ikke er forbundet. Kobber er som bekendt en effektiv varmeleder.

 

Mangel på frisk luft påvirker produktivitet og sundhed

Et højt CO2-niveau og høje VOC-værdier (dvs. mange flygtige organiske kemikalier i luften) – kan være skadeligt for helbredet og øger risikoen for overførsel af luftbårne virus. Det har vi fået øget opmærksomhed på under COVID-19. Desuden har mangel på frisk luft stor indvirkning på produktiviteten og evnen til at fokusere – det er påvist af adskillige undersøgelser.

En metode til at måle luftens kvalitet er at måle CO2-niveauet, for stigende CO2-mængder følges ofte med stigende koncentrationer af VOC. CO2-niveauet skal helst holdes under 1.000 ppm, og det må ikke overstige 1.500 ppm i længere perioder. Hvis HVAC-systemet måler og justerer CO2-niveauet hvert 30. sekund, holder det luften frisk – uden at energiregningen samtidig bliver for høj.

 

Dobbelt detektormetode minimerer usikkerhed

En CO2-sensor fungerer med en lyskilde og to detektorer. Den ene detektor har et filter med et vindue, som svarer til et højdepunkt i CO2-absorptionsspektret (ca. 4,3 µm), så den registrerer, hvor meget lys der absorberes af CO2-molekyler i luften. Den anden detektor måler den ufiltrerede lysintensitet. Lyset passerer gennem et kammer med luft fra rummet, sensoren sidder i, og ved at sammenligne det absorberede lys i de to målinger, bestemmer sensoren CO2-niveauet i den luft, lyset passerer igennem. Ved at have to detektorer undgår man at f.eks. slid eller støvpartikler på lyskilden giver fejlagtige målinger. Et støvdæksel øger sensorens pålidelighed ved at forhindre støv og partikler i at trænge ind og forstyrre detektorerne.

Princippet i CO2-sensor med dobbelt detektor

 

Langtidsstabilitet med robuste sensorer

For at en rumsensor kan måle CO2-niveauet nøjagtigt i alle bygninger, skal den kunne håndtere både gradvise og akutte ændringer i tryk, temperatur og fugtighed. Den skal også kompensere for trykforskelle i forskellige højder – så samme type sensor fungerer lige så pålideligt på 32. sal som i stueetagen.

F.eks. giver 400 m over havet 70 ppm afvigelse i den målte CO2-koncentration. Dvs. højdeforskellen alene er skyld i næsten hele den tolerance på ±75 ppm, som er den højest tilladte i f.eks. flere af USA’s delstater. Hvis en CO2-sensor skal være pålidelig i forskellige bygninger – og lande – bør den derfor have absolut trykkompensation.

Sammenligning af sensorer med og uden absolut trykkompensation i forskellige højder.

 

Tag højde for eksterne forhold

Ud over i sig selv at kunne måle temperatur og CO2-niveau nøjagtigt, kommer der en række eksterne faktorer, der kan påvirke målingerne. Faktorer som den, der konstruerer rumføleren, ikke har meget indflydelse på:

• Luftfugtigheden
• Lufttryk – afhængigt af bygningens placering og højde
• Luftstrømme i rummet
• Varmekilderne og deres placering
• Sensorens placering i rummet

Der er i sig selv noget paradoksalt ved, at sensorer oftest placeres på rummets yderste kanter – dvs. vægge eller loft – men forventes at angive temperaturen i midten af rummet. Og sensorens producent har meget lidt kontrol over, f.eks. hvor langt fra loftet enheden bliver monteret.

Rumfølere skal med andre ord konstrueres, så alle disse eksterne parametre ikke påvirker målingerne nævneværdigt.

Pålidelige rumfølere er centrale for god HVAC

For at kunne levere den korrekte mængde frisk luft og behagelige temperaturer uden at overventilere skal behovsstyrede HVAC-systemer have pålidelige sensorer. Dermed kan de regulere luftstrømmen korrekt ud fra f.eks. indeluftens CO2-niveau. Det er vigtigt, eftersom vi mennesker tilbringer mere og mere tid indenfor.

Det stiller mange og store krav til rumsensorer: De skal være pålidelige, nøjagtige og egnede til brug over hele verden og i et væld af applikationer – og de skal være stabile til lang tids brug. Det kræver grundig planlægning ved konstruktion af enheden for at eliminere potentielle interne fejlkilder, samtidig med at der kompenseres for uundgåelige eksterne faktorer og påvirkninger.

Belimos sensorer er designet med alle disse overvejelser i tankerne og kan levere langtids nøjagtige målinger af temperatur, CO2 m.m. under stort set alle forhold til indendørs luftkvalitetsapplikationer.

Læs mere om design og betjening af Belimos rumsensorer her.

Eller kontakt Belimo for at høre mere om de nye rumsensorer med eller uden display på info@belimo.dk eller tlf. 86 52 44 00.