Cảm biến CO2 là thiết bị được sử dụng để đo và giám sát nồng độ khí Carbon Dioxide (CO2) trong không khí. Thiết bị đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống HVAC, BMS, thông gió tòa nhà, phòng học, văn phòng, bệnh viện, trung tâm thương mại, nhà máy, nhà kính và nhiều ứng dụng công nghiệp khác.
Trong các hệ thống HVAC hiện đại, cảm biến CO2 không chỉ có chức năng hiển thị nồng độ CO2 mà còn có thể truyền tín hiệu 0-10V, 4-20mA hoặc RS-485 Modbus RTU về bộ điều khiển DDC, PLC hoặc BMS. Dựa trên giá trị CO2 thực tế, hệ thống có thể tự động điều chỉnh lượng gió tươi, điều khiển quạt thông gió hoặc cảnh báo khi chất lượng không khí không đạt yêu cầu.
CẢM BIẾN CO2 LÀ GÌ?
Cảm biến CO2 hay cảm biến khí CO2 là thiết bị có khả năng phát hiện và đo nồng độ Carbon Dioxide trong môi trường không khí. Giá trị đo thường được biểu thị bằng đơn vị ppm - Parts Per Million.
Ví dụ, khi cảm biến hiển thị 800 ppm CO2, điều này có nghĩa là trong một triệu phần thể tích không khí có khoảng 800 phần CO2.
Trong môi trường ngoài trời, nồng độ CO2 thường thấp hơn đáng kể so với những không gian kín có nhiều người. Trong văn phòng, phòng họp, lớp học hoặc trung tâm thương mại, CO2 có thể tăng nhanh khi số lượng người trong phòng tăng nhưng lượng gió tươi cung cấp không đủ.
Vì vậy, nồng độ CO2 thường được sử dụng như một thông số quan trọng để đánh giá mức độ thông thoáng của không gian và hỗ trợ hệ thống HVAC kiểm soát lượng gió tươi phù hợp.
Cảm biến CO2 liên tục đo nồng độ CO2 và truyền dữ liệu về hệ thống điều khiển. Từ đó, hệ thống có thể tăng hoặc giảm lượng gió tươi theo nhu cầu thực tế thay vì vận hành quạt ở công suất cố định.
CẢM BIẾN NỒNG ĐỘ CO2 DÙNG ĐỂ LÀM GÌ?
Chức năng chính của cảm biến nồng độ CO2 là giám sát sự thay đổi của khí CO2 trong không khí theo thời gian thực. Trong một phòng họp, khi số lượng người tăng lên, lượng CO2 sinh ra từ quá trình hô hấp cũng tăng. Nếu hệ thống thông gió không cung cấp đủ lượng không khí bên ngoài, nồng độ CO2 trong phòng sẽ tăng dần.
Cảm biến CO2 phát hiện sự thay đổi này và gửi tín hiệu về bộ điều khiển HVAC hoặc BMS. Bộ điều khiển có thể sử dụng tín hiệu đó để điều khiển động cơ van gió tươi, quạt cấp gió, quạt hút hoặc hệ thống VAV nhằm tăng lượng không khí bên ngoài đưa vào khu vực.
Khi số lượng người giảm và nồng độ CO2 trở lại mức thấp hơn, hệ thống có thể giảm lượng gió tươi nhằm tiết kiệm năng lượng. Phương pháp điều khiển này thường được gọi là Demand Controlled Ventilation - DCV, tức hệ thống thông gió điều khiển theo nhu cầu thực tế.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN CO2
Phần lớn cảm biến CO2 sử dụng trong HVAC và BMS hiện nay hoạt động dựa trên công nghệ NDIR - Non-Dispersive Infrared, hay còn gọi là công nghệ hồng ngoại không phân tán. Nguyên lý này dựa trên đặc tính hấp thụ bức xạ hồng ngoại của phân tử CO2 tại những bước sóng đặc trưng. Bên trong cảm biến thường có nguồn phát tia hồng ngoại, buồng đo khí, bộ lọc quang học, bộ thu hồng ngoại và mạch xử lý tín hiệu.
Không khí từ môi trường đi vào khu vực đo của cảm biến. Nguồn hồng ngoại phát ánh sáng xuyên qua mẫu khí. Các phân tử CO2 trong không khí hấp thụ một phần năng lượng hồng ngoại tại bước sóng đặc trưng. Khi nồng độ CO2 tăng, lượng năng lượng hồng ngoại bị hấp thụ cũng thay đổi. Bộ thu quang học ghi nhận sự thay đổi cường độ tín hiệu và gửi dữ liệu đến bộ vi xử lý.
Bộ vi xử lý sử dụng thuật toán hiệu chuẩn để chuyển đổi tín hiệu quang học thành giá trị nồng độ CO2, thường được biểu thị bằng ppm. Ví dụ, cảm biến có thể cung cấp giá trị 450 ppm, 800 ppm, 1000 ppm, 1500 ppm hoặc cao hơn tùy theo điều kiện thực tế. Ưu điểm quan trọng của công nghệ NDIR là khả năng đo CO2 trực tiếp, độ chọn lọc tốt, độ ổn định cao và phù hợp với yêu cầu giám sát liên tục trong hệ thống HVAC.
CẢM BIẾN CO2 NDIR LÀ GÌ?
Cảm biến CO2 NDIR là cảm biến sử dụng nguyên lý hấp thụ tia hồng ngoại để xác định nồng độ CO2. NDIR là một trong những công nghệ được sử dụng phổ biến cho cảm biến CO2 trong tòa nhà và công nghiệp nhờ khả năng đo trực tiếp khí CO2. So với các phương pháp ước tính CO2 dựa trên những hợp chất khí khác, cảm biến NDIR đo trực tiếp đặc tính hấp thụ hồng ngoại của CO2 nên phù hợp hơn với những ứng dụng yêu cầu giám sát nồng độ CO2 thực tế.
Các cảm biến CO2 NDIR chất lượng cao còn có thể tích hợp thuật toán tự hiệu chuẩn nhằm hạn chế hiện tượng sai lệch giá trị đo sau thời gian dài vận hành.
DẢI ĐO CỦA CẢM BIẾN CO2
Dải đo phổ biến của cảm biến CO2 trong HVAC là 0-2000 ppm. Đây là dải đo phù hợp với phần lớn ứng dụng giám sát chất lượng không khí trong văn phòng, trường học, bệnh viện, khách sạn, trung tâm thương mại và các tòa nhà thương mại.
Ngoài ra, tùy theo ứng dụng, cảm biến có thể được thiết kế với các dải đo khác như 0-5000 ppm hoặc 0-10000 ppm. Đối với những ứng dụng công nghiệp hoặc khu vực có khả năng xuất hiện nồng độ CO2 cao hơn, cần lựa chọn dải đo phù hợp với điều kiện vận hành thực tế thay vì sử dụng cảm biến HVAC thông thường. Việc lựa chọn đúng dải đo giúp hệ thống có độ phân giải và khả năng giám sát phù hợp hơn.
CÁC LOẠI CẢM BIẾN CO2 PHỔ BIẾN
Cảm biến CO2 có thể được phân loại dựa trên vị trí lắp đặt và phương thức truyền tín hiệu.
Cảm biến CO2 phòng
Cảm biến CO2 phòng được lắp trực tiếp trên tường tại văn phòng, phòng họp, phòng học, bệnh viện, khách sạn hoặc các khu vực có người sử dụng thường xuyên. Thiết bị có thể chỉ đo CO2 hoặc tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm trong cùng một thiết bị. Một số phiên bản được trang bị màn hình LCD, màn hình LED để hiển thị trực tiếp nồng độ CO2 tại khu vực lắp đặt.
Cảm biến CO2 ống gió
Cảm biến CO2 ống gió được thiết kế để đo nồng độ CO2 bên trong hệ thống đường ống HVAC. Đầu dò được đưa trực tiếp vào luồng khí trong ống gió, trong khi phần điện tử được lắp bên ngoài đường ống. Loại cảm biến này thường được sử dụng trong AHU, hệ thống gió hồi, gió thải hoặc các hệ thống thông gió trung tâm.
Cảm biến CO2 ngoài trời
Trong một số hệ thống điều khiển thông gió, cảm biến CO2 ngoài trời có thể được sử dụng làm giá trị tham chiếu để so sánh với nồng độ CO2 bên trong tòa nhà. Thiết bị cần có thiết kế và cấp bảo vệ phù hợp với điều kiện môi trường lắp đặt.
Cảm biến CO2 công nghiệp
Cảm biến CO2 công nghiệp được sử dụng trong nhà máy, kho, khu vực sản xuất, phòng kỹ thuật hoặc những ứng dụng có yêu cầu dải đo và điều kiện môi trường khác với HVAC thông thường. Tùy từng ứng dụng, thiết bị có thể sử dụng dải đo CO2 cao hơn và giao tiếp trực tiếp với PLC, SCADA hoặc hệ thống điều khiển công nghiệp.
CẢM BIẾN CO2 0-10V
Cảm biến CO2 0-10V chuyển đổi giá trị nồng độ CO2 thành tín hiệu điện áp tuyến tính từ 0 đến 10V. Ví dụ với cảm biến có dải đo 0-2000 ppm, nhà sản xuất có thể cấu hình 0V tương ứng với 0 ppm và 10V tương ứng với 2000 ppm. Tín hiệu này được đưa về ngõ vào analog của DDC, PLC hoặc bộ điều khiển HVAC. Ưu điểm của 0-10V là cấu hình đơn giản và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống HVAC.
CẢM BIẾN CO2 4-20mA
Cảm biến CO2 4-20mA chuyển đổi nồng độ CO2 thành tín hiệu dòng điện tiêu chuẩn công nghiệp. Tín hiệu 4-20mA có khả năng truyền đi khoảng cách tương đối xa và ít bị ảnh hưởng bởi sụt áp trên dây dẫn hơn so với một số dạng tín hiệu điện áp. Vì vậy, cảm biến CO2 4-20mA thường được lựa chọn cho các hệ thống BMS, PLC và ứng dụng công nghiệp có khoảng cách từ cảm biến đến tủ điều khiển lớn.
CẢM BIẾN CO2 MODBUS RTU
Cảm biến CO2 Modbus RTU sử dụng giao tiếp kỹ thuật số RS-485 để truyền dữ liệu về bộ điều khiển. Một đường truyền RS-485 có thể kết nối nhiều thiết bị nếu hệ thống được thiết kế, đánh địa chỉ và đấu nối đúng kỹ thuật. Ngoài giá trị CO2, cảm biến tích hợp có thể truyền thêm nhiệt độ, độ ẩm và các thông số trạng thái khác tùy từng model. Modbus RTU đặc biệt phù hợp với các hệ thống BMS hiện đại vì giảm số lượng ngõ vào analog và cho phép quản lý nhiều thông số trên cùng mạng truyền thông.
ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN CO2 TRONG HVAC
HVAC là một trong những lĩnh vực sử dụng cảm biến CO2 phổ biến nhất. Trong hệ thống HVAC, cảm biến CO2 thường được kết nối với DDC hoặc BMS để điều khiển lượng gió tươi theo nồng độ CO2 thực tế. Khi CO2 tăng, hệ thống có thể tăng độ mở van gió tươi hoặc tăng lưu lượng quạt cấp gió. Khi CO2 giảm, lượng gió tươi có thể được giảm xuống. Việc điều khiển theo nhu cầu giúp hệ thống hạn chế tình trạng cấp quá nhiều gió tươi khi khu vực có ít người, từ đó giảm tải cho hệ thống làm lạnh hoặc sưởi và góp phần tiết kiệm năng lượng.
CẢM BIẾN CO2 CHO VĂN PHÒNG
Văn phòng là môi trường có mật độ người thay đổi liên tục trong ngày. Nếu hệ thống HVAC cấp lượng gió tươi cố định, hệ thống có thể thiếu gió khi đông người hoặc cung cấp lượng gió lớn không cần thiết khi ít người. Cảm biến CO2 giúp hệ thống xác định nhu cầu thông gió dựa trên điều kiện sử dụng thực tế. Đặc biệt tại phòng họp, nồng độ CO2 có thể thay đổi nhanh khi nhiều người tập trung trong thời gian ngắn. Vì vậy, cảm biến CO2 thường được kết hợp với VAV, van gió hoặc quạt thông gió để điều chỉnh lượng gió tươi.
CẢM BIẾN CO2 CHO TRƯỜNG HỌC
Lớp học thường có mật độ người tương đối cao và số lượng học sinh thay đổi theo từng thời điểm. Việc giám sát CO2 giúp đánh giá hiệu quả thông gió của phòng học và cung cấp dữ liệu cho hệ thống HVAC điều chỉnh lượng không khí bên ngoài. Cảm biến có thể được lắp trên tường trong từng lớp hoặc kết nối với hệ thống BMS của toàn bộ trường học.
CẢM BIẾN CO2 CHO BỆNH VIỆN
Trong bệnh viện, hệ thống thông gió và chất lượng không khí đóng vai trò quan trọng đối với điều kiện môi trường trong nhà. Cảm biến CO2 có thể được sử dụng tại phòng chờ, hành lang, khu vực làm việc, phòng họp và những khu vực được thiết kế kiểm soát thông gió dựa trên nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, việc thiết kế thông gió bệnh viện còn phụ thuộc vào chức năng từng phòng, yêu cầu trao đổi không khí, áp suất phòng và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan. Vì vậy, CO2 chỉ là một trong nhiều thông số được sử dụng trong hệ thống giám sát và điều khiển.
CẢM BIẾN CO2 CHO TRUNG TÂM THƯƠNG MẠI
Trung tâm thương mại có số lượng người thay đổi rất lớn theo từng khung giờ. Nếu hệ thống HVAC luôn vận hành theo lưu lượng gió tươi tối đa, mức tiêu thụ năng lượng có thể tăng đáng kể. Sử dụng cảm biến CO2 cho phép hệ thống BMS xác định nhu cầu thông gió của từng khu vực và điều khiển AHU, FAHU, VAV hoặc hệ thống quạt phù hợp hơn với tải thực tế.
CẢM BIẾN CO2 TRONG NHÀ KÍNH
CO2 cũng là một thông số quan trọng trong các hệ thống nhà kính và nông nghiệp công nghệ cao. Khác với ứng dụng HVAC chủ yếu kiểm soát chất lượng không khí và thông gió, hệ thống nhà kính có thể giám sát CO2 nhằm duy trì điều kiện môi trường phù hợp với quá trình sinh trưởng của cây trồng. Tùy từng loại cây và phương pháp canh tác, hệ thống điều khiển có thể kết hợp dữ liệu CO2 với nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và các thông số môi trường khác.
CẢM BIẾN CO2 KHÁC CẢM BIẾN CO NHƯ THẾ NÀO?
CO2 và CO là hai loại khí hoàn toàn khác nhau nên cảm biến CO2 và cảm biến CO cũng có mục đích sử dụng khác nhau. CO2 là Carbon Dioxide, thường được giám sát trong HVAC để đánh giá điều kiện thông gió và kiểm soát lượng gió tươi. CO là Carbon Monoxide, một loại khí độc có thể sinh ra từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn. Cảm biến CO thường được sử dụng tại tầng hầm, bãi đỗ xe, phòng máy phát điện và những khu vực có nguy cơ phát sinh khí CO. Do đó, cảm biến CO2 không thể được sử dụng để thay thế cảm biến CO và ngược lại.
CÁCH LỰA CHỌN CẢM BIẾN CO2 PHÙ HỢP
Khi lựa chọn cảm biến CO2, trước tiên cần xác định vị trí đo là trong phòng, trong ống gió hay môi trường công nghiệp. Tiếp theo cần xác định dải đo. Với HVAC, 0-2000 ppm là một trong những dải đo thông dụng, trong khi những ứng dụng khác có thể yêu cầu 0-5000 ppm, 0-10000 ppm hoặc cao hơn. Ngõ ra tín hiệu cũng cần tương thích với hệ thống điều khiển. Hệ thống HVAC truyền thống thường sử dụng 0-10V, trong khi hệ thống công nghiệp có thể ưu tiên 4-20mA. Các hệ thống BMS hiện đại có thể lựa chọn RS-485 Modbus RTU để kết nối nhiều thiết bị trên cùng mạng truyền thông.
Ngoài ra cần xem xét độ chính xác, thời gian đáp ứng, độ ổn định lâu dài, phương pháp hiệu chuẩn, nhiệt độ hoạt động, độ ẩm hoạt động, nguồn cấp và cấp bảo vệ IP. Đối với những dự án yêu cầu độ ổn định cao, nên ưu tiên cảm biến sử dụng công nghệ NDIR từ các nhà sản xuất có thông số kỹ thuật và tài liệu hiệu chuẩn rõ ràng.
CẢM BIẾN CO2 CÓ THỂ KẾT NỐI BMS KHÔNG?
Đây chính là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của cảm biến CO2 trong các công trình hiện đại. Cảm biến có thể truyền tín hiệu 0-10V, 4-20mA hoặc RS-485 Modbus RTU về hệ thống BMS. BMS nhận giá trị CO2 và thực hiện thuật toán điều khiển tương ứng. Ví dụ, khi nồng độ CO2 tăng, BMS có thể điều khiển động cơ van gió tăng độ mở van gió tươi. Khi CO2 giảm, van có thể đóng bớt để giảm lượng không khí bên ngoài.
Hệ thống cũng có thể kết hợp CO2 với nhiệt độ, độ ẩm, chênh áp, lưu lượng gió và trạng thái thiết bị để xây dựng chiến lược điều khiển HVAC toàn diện.
VỊ TRÍ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN CO2
Vị trí lắp đặt có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng đo đại diện của cảm biến. Đối với cảm biến CO2 phòng, nên lựa chọn vị trí có khả năng đại diện cho điều kiện không khí của khu vực cần giám sát và tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất cũng như thiết kế HVAC. Không nên đặt cảm biến ngay sát cửa cấp gió tươi, cửa sổ thường xuyên mở, nguồn nhiệt hoặc những vị trí có luồng khí cục bộ mạnh nếu chúng làm giá trị đo không đại diện cho toàn bộ không gian.
Đối với cảm biến CO2 ống gió, vị trí lắp cần đảm bảo đầu dò tiếp xúc với luồng khí đại diện và tuân thủ yêu cầu về chiều lắp, chiều dài đầu dò cũng như khoảng cách với các vị trí gây nhiễu dòng khí theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
TẠI SAO NÊN SỬ DỤNG CẢM BIẾN CO2?
Cảm biến CO2 giúp hệ thống HVAC biết được điều kiện sử dụng thực tế của không gian thay vì chỉ vận hành theo lịch trình hoặc lưu lượng cố định. Khi kết hợp cảm biến CO2 với BMS, DDC, VAV và động cơ van gió, hệ thống có thể tự động điều chỉnh lượng gió tươi theo nhu cầu. Điều này giúp cải thiện khả năng giám sát chất lượng không khí trong nhà, tối ưu vận hành hệ thống thông gió và giảm năng lượng tiêu thụ trong những thời điểm không cần cấp lượng gió tươi lớn. Vì vậy, cảm biến CO2 ngày càng trở thành một thiết bị quan trọng trong các hệ thống HVAC và BMS của tòa nhà hiện đại.
MUA CẢM BIẾN CO2 TẠI SENSORS VIỆT NAM
Sensors Việt Nam cung cấp các giải pháp cảm biến CO2 phục vụ hệ thống HVAC, BMS, tòa nhà, nhà máy và các ứng dụng công nghiệp. Các dòng cảm biến CO2 có nhiều lựa chọn như cảm biến CO2 phòng, cảm biến CO2 ống gió, cảm biến CO2 có màn hình và không màn hình, cảm biến CO2 tích hợp nhiệt độ - độ ẩm, cũng như các phiên bản ngõ ra 0-10V, 4-20mA và RS-485 Modbus RTU.
Tùy theo yêu cầu của từng dự án, Sensors Việt Nam có thể tư vấn lựa chọn dải đo, loại tín hiệu, vị trí lắp đặt và phương án kết nối với DDC, PLC hoặc hệ thống BMS.