每個人平均每天吸入大約15kg的空氣,其中80%是室內空氣。戶外空氣品質一般是由政府機構進行監測,而室內空氣品質(IAQ)監測則是建築物營運業者或居住者的責任——前提是他們願意實際執行。現在,新一代小型表面黏著的低功率揮發性有機化合物(VOC)氣體感測器已經上市,透過小型、低成本的元件即可實現分散式、本地IAQ監測功能,因此,用戶可以更容易地操作建築物中的空氣流動和空氣過濾設備。

本文介紹新型VOC感測器的工作原理,以及它與絕對單一氣體感測器的不同之處。同時,還介紹感測器如何提供資料,使得空氣管理設備能夠更高效且有效地因應室內空氣品質的變化。

如何進行IAQ監測?

目前,商業建築物的專業營運方一般利用一、兩類空氣品質數據來控制通風和空氣過濾系統的運作。最常見的是,他們使用單一氣體——通常是二氧化碳(CO2)進行絕對測量。他們也會參考居住者對空氣品質的主觀判斷。

因為人類呼出CO2,所以有人在的房間裡,CO2濃度隨時間的推移而增加是正常的,因此,在沒有足夠通風的情況下,房間中的人越多,CO2濃度就越高。

室內空氣中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,現在配備CO2感測器的商業建築物管理系統,就可以根據測得的CO2濃度調節、過濾和/或者通風設備的運作。目的在於保持室內空氣新鮮舒適,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方式。而且由於人類會生產VOC和CO2——在科學上稱之為「生物排放」,現在的建築物營運方通常認為配置了調節CO2濃度功能的空調設備也能充份調節室內空氣中多種VOC的濃度。

實際的考慮因素支持了這種假設。CO2感測器元件經過多年發展,封裝、價格和功耗特性已經非常具有吸引力,足以確保其能整合至主流建築物自動化設備的電路板中。

直到最近,可選的VOC濃度測量方法還相當有限。有一些測量和分析懸浮於空氣中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,傾向於結合使用氣相層析與質譜(稱為GC-MS)的方法。

然而,這些方法並不適合用於緊湊、本地化、低功率的空氣品質感測設備,因為他們不是體積太大就是功耗太高。

這就是為什麼推出新一代金屬氧化物(MOX) VOC感測器的原因,現在它可提供表面黏著IC型封裝,功率只有毫瓦級,對於IAQ監測領域來說非常令人期待。這些低成本、緊湊型的低功耗VOC感測元件很容易整合於燈具、空調、風扇以及風扇遠端控制裝置等日常用品——甚至是手機中。分散式的本地VOC感測是切實可行的,而且也是發展趨勢之一。

20170918_ams_TA31P1 表1:通常會在室內發現的VOC類型及其來源

因此,空調設備使用者應重新考慮他們是否還只是依賴於CO2資料。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,並不是所有的VOC都是由人產生的(見圖1) .其次,人類產生CO2的速率是持續的,而且在不活動時一般會相當穩定。然而,人類產生VOC是波動,例如在飯後一段時間內會上升。

根據美國國家標準技術研究所(NIST)建築物和消防研究實驗室的報告指出:「許多污染源並非僅來自居住者,還包括建材的排放物,以及從戶外進入建築物的污染物等。CO2濃度並不能提供與居住者無關的釋放源所排放的污染物濃度等資訊。」(A K Persily,1996)

例如,在只有一個人的房間中,CO2感測器記錄到室內空氣中的CO2濃度較低,但最近重新安裝了新傢俱和地毯,還用黏膠在房間的牆壁和地板上黏貼了一些固定裝置。在這種情況下,房間中的空調設備通常被配置為在此環境下提供最小通風量,導致唯一的居住者呼吸大量的懸浮VOC。

室內空氣中高濃度的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。美國國家環境保護局(EPA)網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空氣中的VOC有關。EPA指出的這些影響包括: .眼睛、鼻子和喉嚨有刺激感 .頭痛、失去協調和噁心 .損害肝、腎,以及中樞神經系統 .一些有機物會導致動物癌症;有些甚至被懷疑或已知會導致人類癌症。 (資料來源:https://www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq)

因此,上面的這些實例促使OEM開始在IAQ監測設備中使用表面黏著MOX VOC感測器。

MOX氣體感測器的工作原理如圖2所示。

20170918_ams_TA31P2 圖2:晶片型MOX氣體感測器的工作原理

MOX VOC元件本身可檢測到多種VOC,並提供對應於VOC濃度變化的相對輸出。當配備了板載處理器時,該感測器還能夠計算多種VOC的等效相對值。由於這些元件的輸出是相對的,因此不需要校準。

另外,還有一類絕對輸出氣體感測器:它們對於安全攸關的應用來說是理想的也是必要的選擇,在這些應用中,某些氣體濃度過高會對生命或者健康構成直接威脅。這種絕對輸出元件通常: .相對比較昂貴 .只能檢測一種氣體 .需要定期校準以提供準確的輸出資料

在IAQ監測應用中這些因素顯然不受歡迎。VOC感測器是對這種重要但有限絕對測量源的補充:這種感測器能夠檢測到多種VOC,因此可以用於偵測由一種或者多種VOC化合物引起的室內空氣品質變化——而這會影響建築物內的人。

在IAQ監測中,例如ams CCS811(2.7mm×4mm×1.1mm,LGA封裝)或iAQ-CORE(接腳佈局為15mm×18mm的整合感測器模組)等寬頻譜感測器,並非針對安全攸關應用的某種特殊氣體報告其絕對ppm值,而是提供環境中多種VOC濃度的相對變化值,包括但不限於圖1所列出的。

在IAQ監測應用中,MOX VOC感測器可以與絕對輸出CO2感測器一起使用,隨時為CO2濃度提供確切的基準。VOC感測器補強了絕對CO2的測量,採集有關VOC事件的其他資訊,這些資訊不一定與居住者(通常是CO2濃度升高的主要原因)直接相關,如圖3所示。

20170918_ams_TA31P3 圖3:在多人使用會議室數小時後,VOC感測器和CO2感測器同時運作時的測量值比較

圖3中,在VOC感測器指示空氣品質下降期間,CO2感測器完全沒有任何動靜,這可能是由於在會議休會期間使用清潔化學品,或者來自影印機和印表機等設備的排放造成的。因應VOC感測器的輸出(而非CO2感測器的指示),通常會有更好的通風;因此,在此例中,出現VOC事件期間,將會為居住者改善房間中的空氣品質。

空調系統測量資料的標定

諸如CCS811或iAQ-Core等VOC感測器能夠有效地偵測空氣中VOC濃度隨時間的變化。但是,如何使用這些資訊來管理空氣過濾或空氣流動設備的運作?

今天,空氣管理系統的配置通常為了因應所測量的CO2濃度絕對值。因此,iAQ-Core和CCS811包括執行所提供演算法的處理器,計算相對eCO2(等效CO2)值以及相對TVOC(總揮發性有機化合物)值。如此,則可讓空氣品質管理系統設計人員將來自感測器的輸入轉換為適當的指令,例如提高通風設備的風扇速度,或者把通風口開寬一些——或在VOC濃度下降後,放慢過濾和/或者空氣交換速度以降低能耗。

根據測試顯示,eCO2的計算相對值參考適當的基準值,且主要是由人類VOC排放引起的,與絕對CO2感測器測量的實際CO2濃度變化密切相關(參見圖4)。

20170918_ams_TA31P4 圖4:在7天時間內,將來自ams MOX氣體感測器計算標定的eCO2值與由絕對CO2感測器測量的實際值進行比較

整合IAQ監測的新機遇

如今,晶片型VOC感測器的尺寸、成本和功耗等優勢,使其成為空調系統管理區域的分散式感測來源,將它們整合於空氣品質管制系統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、生活和娛樂環境。

還可以在以前不具有空氣品質感測功能的終端產品中整合小型表面黏著VOC感測器,從而體現了這類感測器的價值所在。例如,炊具罩中的寬頻譜VOC感測器可以偵測原料和熟食氣味、煙霧、清潔劑等產生的空氣中VOC濃度的變化,根據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備了。

VOC感測器在任何室內空間都非常有幫助,包括公共交通工具、私家車以及醫院、辦公室和商店等公共建築。由於這些感測器非常小,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,從而輕鬆地連接至空氣管理系統。