如何進(jìn)行IAQ監(jiān)測室內(nèi)空氣品質(zhì)？

每個人平均每天吸入大約15kg的空氣，其中80%是室內(nèi)空氣。戶外空氣品質(zhì)一般是由政府機構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，而室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）監(jiān)測則是建筑物營運業(yè)者或居住者的責(zé)任——前提是他們愿意實際執(zhí)行?，F(xiàn)在，新一代小型表面貼裝的低功率揮發(fā)性有機化合物（VOC）氣體傳感器已經(jīng)上市，通過小型、低成本的元件即可實現(xiàn)分散式、本地IAQ監(jiān)測功能，因此，用戶可以更容易地操作建筑物中的空氣流動和空氣過濾設(shè)備。本文介紹新型VOC傳感器的工作原理，以及它與絕對單一氣體傳感器的不同之處。同時，還介紹傳感器如何提供數(shù)據(jù)，使得空氣管理設(shè)備能夠更高效且有效地因應(yīng)室內(nèi)空氣品質(zhì)的變化。

如何進(jìn)行IAQ監(jiān)測？目前，商業(yè)建筑物的專業(yè)營運方一般利用一、兩類空氣品質(zhì)數(shù)據(jù)來控制通風(fēng)和空氣過濾系統(tǒng)的運作。最常見的是，他們使用單一氣體——通常是二氧化碳（CO2）進(jìn)行絕對測量。他們也會參考居住者對空氣品質(zhì)的主觀判斷。因為人類呼出CO2，所以有人在的房間里，CO2濃度隨時間的推移而增加是正常的，因此，在沒有足夠通風(fēng)的情況下，房間中的人越多，CO2濃度就越高。室內(nèi)空氣中CO2濃度過高會讓人有“悶”的感覺，想打瞌睡、精神不集中，而且無法有效決策。因此，現(xiàn)在配備CO2傳感器的商業(yè)建筑物管理系統(tǒng)，就可以根據(jù)測得的CO2濃度調(diào)節(jié)、過濾和/或者通風(fēng)設(shè)備的運作。目的在于保持室內(nèi)空氣新鮮舒適，同時降低熱交換率，因為人為加熱或冷卻空氣的作法，既浪費金錢又耗費了能源。事實上，CO2濃度是代表某一空間中人員密度的適當(dāng)方式。而且由于人類會生產(chǎn)VOC和CO2——在科學(xué)上稱之為“生物排放”，現(xiàn)在的建筑物營運方通常認(rèn)為配置了調(diào)節(jié)CO2濃度功能的空調(diào)設(shè)備也能充分調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣中多種VOC的濃度。實際的考慮因素支持了這種假設(shè)。CO2傳感器元件經(jīng)過多年發(fā)展，封裝、價格和功耗特性已經(jīng)非常具有吸引力，足以確保其能整合至主流建筑物自動化設(shè)備的電路板中。直到最近，可選的VOC濃度測量方法還相當(dāng)有限。有一些測量和分析懸浮于空氣中VOC的方法，包括光電離、火焰電離、比色管和波長吸收等是比較輕便的方法。而在實驗室中，傾向于結(jié)合使用氣相層析與質(zhì)譜（稱為GC-MS）的方法。然而，這些方法并不適合用于緊湊、本地化、低功率的空氣品質(zhì)傳感設(shè)備，因為他們不是體積太大就是功耗太高。這就是為什么推出新一代金屬氧化物（MOX） VOC傳感器的原因，現(xiàn)在它可提供表面貼裝IC型封裝，功率只有毫瓦級，對于IAQ監(jiān)測領(lǐng)域來說非常令人期待。這些低成本、緊湊型的低功耗VOC傳感器件很容易整合于燈具、空調(diào)、風(fēng)扇以及風(fēng)扇遠(yuǎn)端控制裝置等日常用品——甚至是手機中。分散式的本地VOC傳感是切實可行的，而且也是發(fā)展趨勢之一。

圖1：通常會在室內(nèi)發(fā)現(xiàn)的VOC類型及其來源因此，空調(diào)設(shè)備使用者應(yīng)重新考慮他們是否還只是依賴于CO2數(shù)據(jù)。事實上，VOC濃度不會隨著CO2濃度的變化而上升和下降，主要有兩個原因：

首先，并不是所有的VOC都是由人產(chǎn)生的（見圖1）；其次，人類產(chǎn)生CO2的速率是持續(xù)的，而且在不活動時一般會相當(dāng)穩(wěn)定。然而，人類產(chǎn)生VOC是波動，例如在飯后一段時間內(nèi)會上升。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）建筑物和消防研究實驗室的報告指出：“許多污染源并非僅來自居住者，還包括建材的排放物，以及從戶外進(jìn)入建筑物的污染物等。CO2濃度并不能提供與居住者無關(guān)的釋放源所排放的污染物濃度等數(shù)據(jù)?！保ˋ K Persily，1996）例如，在只有一個人的房間中，CO2傳感器記錄到室內(nèi)空氣中的CO2濃度較低，但最近重新安裝了新家居和地毯，還用黏膠在房間的墻壁和地板上黏貼了一些固定裝置。在這種情況下，房間中的空調(diào)設(shè)備通常被配置為在此環(huán)境下提供最小通風(fēng)量，導(dǎo)致唯一的居住者呼吸大量的懸浮VOC。室內(nèi)空氣中高濃度的VOC顯著影響到居住者的舒適感。CO2是無味的，但VOC氣味很重，而且（大部份VOC）令人不愉快。然而，空氣中VOC的影響不僅僅是讓人感到不舒服。美國國家環(huán)境保護(hù)局（EPA）網(wǎng)站列出了短期和長期的健康影響，指出這些影響可能與室內(nèi)空氣中的VOC有關(guān)。EPA指出的這些影響包括： 眼睛、鼻子和喉嚨有刺激感 ；頭痛、失去協(xié)調(diào)和惡心；損害肝、腎，以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)；一些有機物會導(dǎo)致動物癌癥；有些甚至被懷疑或已知會導(dǎo)致人類癌癥。因此，上面的這些實例促使OEM開始在IAQ監(jiān)測設(shè)備中使用表面貼裝MOX VOC傳感器。MOX氣體傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2：芯片型MOX氣體傳感器的工作原理MOX VOC元件本身可檢測到多種VOC，并提供對應(yīng)于VOC濃度變化的相對輸出。當(dāng)配備了板載處理器時，該傳感器還能夠計算多種VOC的等效相對值。由于這些元件的輸出是相對的，因此不需要校準(zhǔn)。另外，還有一類絕對輸出氣體傳感器：它們對于安全攸關(guān)的應(yīng)用來說是理想的也是必要的選擇，在這些應(yīng)用中，某些氣體濃度過高會對生命或者健康構(gòu)成直接威脅。這種絕對輸出元件通常： 相對比較昂貴；只能檢測一種氣體；需要定期校準(zhǔn)以提供準(zhǔn)確的輸出數(shù)據(jù)。在IAQ監(jiān)測應(yīng)用中這些因素顯然不受歡迎。VOC傳感器是對這種重要但有限絕對測量源的補充：這種傳感器能夠檢測到多種VOC，因此可以用于檢測由一種或者多種VOC化合物引起的室內(nèi)空氣品質(zhì)變化——而這會影響建筑物內(nèi)的人。在IAQ監(jiān)測中，例如ams CCS811（2.7mm x 4mm x 1.1mm，LGA封裝）或iAQ-CORE（接腳布局為15mm x 18mm的整合傳感器模組）等寬頻譜傳感器，并非針對安全攸關(guān)應(yīng)用的某種特殊氣體報告其絕對ppm值，而是提供環(huán)境中多種VOC濃度的相對變化值，包括但不限于圖1所列出的。在IAQ監(jiān)測應(yīng)用中，MOX VOC傳感器可以與絕對輸出CO2傳感器一起使用，隨時為CO2濃度提供確切的基準(zhǔn)。VOC傳感器補強了絕對CO2的測量，采集有關(guān)VOC事件的其它數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不一定與居住者（通常是CO2濃度升高的主要原因）直接相關(guān)，如圖3所示。

圖3：在多人使用會議室數(shù)小時后，VOC傳感器和CO2傳感器同時運作時的測量值比較圖3中，在VOC傳感器指示空氣品質(zhì)下降期間，CO2傳感器完全沒有任何動靜，這可能是由于在會議休會期間使用清潔化學(xué)品，或者來自打印機和復(fù)印機等設(shè)備的排放造成的。因應(yīng)VOC傳感器的輸出（而非CO2傳感器的指示），通常會有更好的通風(fēng)；因此，在此例中，出現(xiàn)VOC事件期間，將會為居住者改善房間中的空氣品質(zhì)。

空調(diào)系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的標(biāo)定

諸如CCS811或iAQ-Core等VOC傳感器能夠有效地檢測空氣中VOC濃度隨時間的變化。但是，如何使用這些數(shù)據(jù)來管理空氣過濾或空氣流動設(shè)備的運作？今天，空氣管理系統(tǒng)的配置通常為了因應(yīng)所測量的CO2濃度絕對值。因此，iAQ-Core和CCS811包括執(zhí)行所提供算法的處理器，計算相對eCO2（等效CO2）值以及相對TVOC（總揮發(fā)性有機化合物）值。如此，則可讓空氣品質(zhì)管理系統(tǒng)設(shè)計人員將來自傳感器的輸入轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)闹噶?，例如?a href="http://ttokpm.com/tags/高通/" target="_blank">高通風(fēng)設(shè)備的風(fēng)扇速度，或者把通風(fēng)口開寬一些——或在VOC濃度下降后，放慢過濾和/或者空氣交換速度以降低能耗。根據(jù)測試顯示，eCO2的計算相對值參考適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)值，且主要是由人類VOC排放引起的，與絕對CO2傳感器測量的實際CO2濃度變化密切相關(guān)（參見圖4）。

圖4：在7天時間內(nèi)，將來自ams MOX氣體傳感器計算標(biāo)定的eCO2值與由絕對CO2傳感器測量的實際值進(jìn)行比較

整合IAQ監(jiān)測的新機遇

如今，芯片型VOC傳感器的尺寸、成本和功耗等優(yōu)勢，使其成為空調(diào)系統(tǒng)管理區(qū)域的分散式傳感來源，將它們整合于空氣品質(zhì)管制系統(tǒng)中只是時間早晚的問題——最終將建立一個更健康、更愉快的工作、生活和娛樂環(huán)境。還可以在以前不具有空氣品質(zhì)感測功能的終端產(chǎn)品中整合小型表面貼裝VOC傳感器，從而體現(xiàn)了這類傳感器的價值所在。例如，炊具罩中的寬頻譜VOC傳感器可以檢測原料和熟食氣味、煙霧、清潔劑等產(chǎn)生的空氣中VOC濃度的變化，根據(jù)這些變化自動管理氣流。這樣，廚師就不用去手動操作換氣設(shè)備了。VOC傳感器在任何室內(nèi)空間都非常有幫助，包括公共交通工具、私家車以及醫(yī)院、辦公室和商店等公共建筑。由于這些傳感器非常小，足以和其他電子元件一起安裝在PCB上，因此幾乎可以與任何連接元件整合，從而輕松地連接至空氣管理系統(tǒng)。