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氣體感知邁向大規模商用 eCO2隨時隨地改善空氣品質

電子鼻或環境感測器是目前需求量很大的一項技術。對這類感測器感興趣的背後有許多因素,包括室內和室外污染程度的增加,以及消費者對上述情況影響健康和生活品質的意識增強。能源效率是推動開發有效、精確的環境感測器的另一個關鍵因素。展望未來,如果能取得可行且準確的環境感測技術,將能帶來巨大的利益。 室內空氣「污染」日益凸顯 由於人類活動和環境條件的結合,大多數人都曾在電視上看到世界主要城市煙霧瀰漫的影像。然而,人們通常不知道室內空氣污染也是同樣嚴重的問題。美國環境保護署(EPA)等團體所做的研究發現,室內空氣品質平均比室外空氣品質差二到五倍。世界衛生組織(WHO)發現,室內空氣品質差是導致各種可預防的健康問題的重要原因。他們的研究顯示,東南亞和西太平洋地區有超過百分之五十可歸因於空氣污染的死亡,是由室內空氣品質造成的。 在較不極端的情況下,室內空氣品質差會導致疲勞,並對注意力集中、表現和決策產生負面影響,這種現象稱為病態建築症候群。考量到大多數人待在室內就占了80%~90%的時間,這個問題變得更不容忽視。為了節省冷暖空調所耗用的能源而實施隔熱和氣密的現代住宅設計,卻出現了意外副作用,包含污染物和氣體不易消散、容易累積;如此一來,住家內的空氣品質可能比大門外的空氣品質差了數倍。 住家的污染物來自何處?其中一種常見來源是家裡日常用品中的揮發性有機化合物(VOC),例如黏著劑、溶劑、電器甚至是地毯。但是,VOC並非室內污染物的唯一來源。二氧化碳(CO2)是一種無色無味的氣體,也是呼吸的副產品。二氧化碳以約400ppm自然存在於大氣中,但在室內環境中可以發現其濃度相當高(圖1)。二氧化碳若超過正常標準,可能導致人類出現各種副作用,例如注意力喪失、疲勞、生產力降低、情緒改變、頭痛等。 圖1 二氧化碳對人類決策表現的影響 環境空氣品質感測 能夠準確感知周圍的環境,讓我們有機會調整環境或提醒人們正處於不安全的狀況。只要思考一下其中的可能性,就能發現各種用途。想像一下,智慧家庭裝置能夠主動並準確地監控家中的空氣品質,嗅出人體的鼻子無法偵測到的有害氣體。智慧家庭控制系統可以偵測諸如二氧化碳濃度增加等情況,並視情況調整通風系統。根據空氣品質調節暖氣、通風和空調(HVAC),可節省高達50%的HVAC設備所需的能源,這將能節省建築物25%的總能耗。 另一種可能性是將其安裝在路燈上的空氣品質監測系統,以便掃描空氣污染情況,並將數據回報至中央監測站。可分析該數據並調整交通流量,將車流引導至替代路線;如此一來,便能減少導致該區域空氣品質低落的汽車數量。 透過有效的空氣品質感測,行動裝置和健身設備可以監控環境並警告使用者空氣品質不良。這些感測器不僅可監控家中的空氣,還可以監控車內空間,因為該空間是我們從住家和辦公室之間通勤時所待的地方。 發展可靠、簡易二氧化碳感測技術 有幾種方法可用於偵測二氧化碳。目前的偵測方法是以非分散紅外線(NDIR)感測器進行,這個方法最昂貴也最準確。這類裝置是簡單的光譜感測器,通常用於偵測氣體,例如在大樓自動化應用中。典型的NDIR是相當龐大的感測器,由紅外線光源、樣品室、光譜濾光片,以及參考和吸收紅外線探測器組成。 目前,市場上還沒有具有成本效益且精確的二氧化碳感測器。部分供應商已開發出可偵測室內環境中各種污染物的感測器,然後利用演算法計算出等值二氧化碳(稱為eCO2)。該解決方案假設二氧化碳污染源主要來自在場人員,而其結果是基於各種假設的最佳推測。由於上述eCO2讀數僅為估算值,因此基於此可能不準確的資訊做出的室內空氣品質控制決策,可能導致不必要的通風而消耗能源。 eCO2感測解決方案 廠商在環境中進行了一些測試,在實際的狀況下測量室內的二氧化碳濃度。使用工業級感測器記錄正確的CO2測量值,然後與使用常見的消費級MOX感測器測量的eCO2進行對比。測量是在各種情況下進行的,包括在壁爐中先後燃燒木材和煤、用水壺燒開水、打開和關閉窗戶,以及烹煮食物。圖2顯示測量結果。 圖2 建築物中的空氣品質測量 eCO2測量值與工業級感測器測量的實際二氧化碳濃度之間相關性非常低。VOC和eCO2之間存在良好的相關性,但這並不是很有用,因為這並非真實存在於室內環境中的二氧化碳的可行指標。在房間裡噴灑香水時,可以在圖表上清楚地看到這一點。真正的二氧化碳感測器不受影響,因為香水沒有為環境帶來任何二氧化碳。但是VOC和eCO2感測器受到極大的影響,並顯示二氧化碳增加,即使二氧化碳濃度實際並無變化。 雖然有多種偵測二氧化碳的方法,但這些方法未能完全符合感測器的需求,因為這些感測器必須能安裝至諸如恆溫器或行動裝置之類的裝置中。無法選擇性使用MOX感測器,而且它會受到濕度和溫度的影響。eCO2解決方案以VOC測量值為基礎進行估算,但只能推估二氧化碳的濃度可能是多少。NDIR感測器可避免上述問題,但它們體積龐大且價格昂貴,不適合大量應用。 測量二氧化碳可以監測和改善室內空氣品質,但近期內看不到可行的技術解決方案,這似乎是現代生活挑戰中的一個罕見案例。一旦獲得低成本、低功耗、準確且穩定的解決方案,該產業就有望在空氣品質監測和管理方面獲得顯著進步,進而大幅改善人類健康和壽命。 (本文作者為英飛凌科技事業發展經理)
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