Platforma pro monitoring vnitřního prostředí

Alarmující stav ve světě a v ČR

Kvalita vnitřního prostředí v budovách se stává stále více diskutovaným tématem poslední doby. Důvodem je především fakt, že člověk tráví v interiéru přibližně 90 % svého času a tudíž se vnitřní prostředí značně projevuje na jeho celkové psychické a zdravotní kondici. S problematikou vnitřního prostředí v budovách je silně spjat i zavedený pojem „Syndrom nezdravých budov“ (Sick Building Syndrom SBS) [1]. Dle tvrzení Světové zdravotnické organizace (WHO) trpělo tímto onemocněním v roce 1984 přes 30 % obyvatel v evropských zemích a USA. V roce 2002 již WHO vyhlásilo nový počet postižených v rozsahu 60 % a nejnovější statistiky z roku 2014 stoupají k číslu 80 %. Co stojí za tak výrazným nárůstem problémů spojených s pobytem v prostředí budov [1]? Zároveň je nutné přiznat, že nové trendy ve stavebnictví z poslední doby sice vedou ke snižování energetických nároků budov, ale situaci s ohledem na kvalitu vnitřního prostředí spíše zhoršují. Především zateplování a výměna oken za plastová bez nasazení jednotek zajištujících větrání prostoru značně snížilo přirozenou výměnu vzduchu a zvýšilo těsnost obvodového pláště. To paradoxně na jedné straně přináší značné energetické úspory, ale na straně druhé může vést ke zhoršení kvality vzduchu v interiéru.

Ještě závažnější je ale zjištění, že tento problém se velmi často týká právě veřejných budov, určených pro dlouhodobý pobyt lidí jako jsou školy, zdravotní zařízení, pečovatelské domy a kanceláře. Tím horší je fakt, že děti jsou již od mládí vystaveny nezdravému vnitřnímu prostředí škol. Tento efekt je dnes ještě umocněn absencí pohybu mládeže na čerstvém vzduchu. Tyto faktory by měly být alarmující pro vlastníky a provozovatele veřejných budov, a proto by vnitřní prostředí v těchto budovách mělo být monitorováno, zejména s ohledem na výskyt škodlivin. V případě nesplnění přípustných mezí [2] by měla být zjednána okamžitá náprava. Škodliviny v pobytovém prostředí působí na jeho obyvatele. Při nízkých koncentracích mohou způsobovat únavu a nepozornost (např. CO₂ při koncentraci nad 1500 ppm). Ovšem mnohé plynné škodliviny působí i při krátkodobé expozici dráždění očí či dýchacích cest (zejména organické těkavé sloučeniny – VOC, škodliviny z dopravy, aj.). Dlouhodobé expozice osob zvýšeným koncentracím škodlivin způsobují zcela zřejmé poškození zdraví.

Parametry popisující kvalitu vnitřního prostředí

Obecně platí, že kvalitu vnitřního prostředí určuje mnoho veličin, jejichž komplexní výčet přesahuje rámec této publikace a podrobnější detaily je možné nalézt v [3]. V tomto článku se ale zaměříme pouze na kvalitu vzduchu a vynecháme další složky, které významně ovlivňují kvalitu vnitřního prostředí jako je tepelně-vlhkostní, akustické a světelné mikroklima. Mezi faktory nejčastěji ohrožující zdraví obyvatel při dlouhodobém pobytu řadíme:

• Teplota a relativní vlhkost vzduchu (t, RH)
• Koncentrace plynů CO₂, CO, skupina NO_x, skupina SO_x a přízemní ozón O₃
• Koncentrace organických těkavých látek (VOC)
• Objemová aktivita radonu
• Koncentrace lehkých záporných iontů
• Koncentrace pevných částic ve vzduchu (PM1 až – PM10)
• Koncentrace volných spor plísní a hub

Ne všechny parametry je možné přesně měřit, nebo měřící zařízení není ve finančních možnostech investora. Poměrně běžně měřeným parametrem je teplota vzduchu v jednotlivých místnostech. Informace o teplotě vzduchu bývá využívána pro regulaci otopných systémů. Vzdušná vlhkost společně s teplotou bývá využívána v aplikacích, kde je využívána vzduchotechnika (VZT). Akutním problémem současných školských i jiných budov je ale vysoká koncentrace CO₂, která je pouze zřídka měřena a ještě méně často přímo navázána na větrání. Podrobný popis hlavních znečišťujících faktorů vnitřního prostředí lze nalézt například v [3] s popisem jejich zdrojů. Představu o bezpečných mezích koncentrací některých látek ve vnitřním prostředí budov společně s porovnáním koncentrací ve venkovním prostředí si můžeme udělat z následující tabulky.

Průměrná roční koncentrace pevných částic PM₁₀ v roce 2015, zdroj: ČHMU [11]

Průměrná roční koncentrace pevných částic PM_2,5 v roce 2015, zdroj: ČHMU [11]

Vedle koncentrací CO₂ a VOC se právě prachové částice dostávají do středu zájmu odborníků. Dlouhodobé vystavení submikronovým částicím může způsobovat závažná respirační onemocnění začínající astmatem a končícím rakovinou plic. Částice s rozměry menšími než 1 um putují až do plicních sklípků, kde se mohou usazovat. Problémem není jen samotné „zaprášení“, a tím snížení funkce plic, ale i obsah jedovatých látek v prachu (sloučeniny olova, arzenu, kadmia, benzo(a)pyrenu, niklu a chromu).

Z výše uvedeného vyplývá, že monitoring kvality vnitřního prostředí je nutné brát jako důležitý faktor nejen u starších objektů ale i rekonstruovaných a nových objektů.

Senzorová platforma

V univerzitním centru velmi silně vnímáme poptávku provozovatelů budov po levném a univerzálním řešení pro komplexní monitoring aktuálního stavu vnitřního prostředí. Z tohoto důvodu jsme přistoupili k realizaci platformy, která nabídne, komplexní ale zároveň otevřený systém s možností výběru jak měřících veličin, tak komunikačních rozhraní. Senzorická platforma pro monitoring kvality vnitřního prostředí tak doplňuje řadu speciálních senzorů pro monitoring konstrukcí poskytovaných v rámci systému Moisture Guard (www.moistureguard.cz).

Design a komplexita

Navržená senzorická platforma komplexně postihuje měření základních parametrů kvality vnitřního vzduchu v jednom celku, který je velmi snadné připojit do stávajících nebo nových systémů měření a regulace. Proto platforma nabízí měření čtyř základních parametrů. Senzor IEQ05485 nabízí měření následujících veličin:

• Teplota (−40 až 85 °C)
• Relativní vlhkost vzduchu (0–95 % nekondenzující)
• Koncentrace CO₂ (400–3000 ppm)
• Koncentrace organických těkavých látek (integrální hodnota 0–30 ppm)

Právě tyto parametry jsou zásadní informací pro hrubé hodnocení kvality vzduchu v interiéru a mohou být využity pro navázané řízení vzduchotechnických jednotek centrálního nebo distribuovaného VZT systému. Mechanický návrh měřící platformy velmi pečlivě zohledňuje aspekty měření jednotlivých veličin, jako jsou CO₂, VOC, T i RH. Speciální konstrukce plošného spoje, rozmístění a orientace senzorů spolu s mechanickým návrhem zapouzdření zaručuje nízké tepelné ovlivňování jednotlivých senzorů a malé vzájemné rušení měřených veličin a v jediném pouzdru nabízí jednotku pro komplexní vyhodnocení kvality vnitřního prostředí.

Komunikační rozhraní

Jednotka IEQ05485 je v základní verzi vybavena komunikační linkou RS485 s otevřeným komunikačním protokolem Modbus RTU. Pomocí této univerzální sběrnice je možné senzor připojit k jakémukoli řídícímu kontroléru (PLC) vybavenému tímto standardizovaným rozhraním. Zároveň je možné senzor napájet pomocí druhého páru vodičů. Napájecí napětí senzoru se může pohybovat v rozsahu 7–24 V. V případě činnosti všech senzorů dosahuje proudový odběr hodnoty 140 mA s čím je nutné počítat při osazení více senzorů na jeden kabel obsahující komunikační i napájecí vodiče.

Bezdrátovou komunikaci je možné řešit pomocí zásuvného SIM modulu s implementovaným rádiovým rozhraním. SIM patice obsahuje signály pro využití rozhraní UART mikrokontroléru v senzorové platformě. SIM patice je kompatibilní s moduly IQRF TR-72D a staršími TR-52D pracujícími v kmitočtovém pásmu 868 MHz s vysílacím výkonem 12,5 respektive 3,5 mW. Díky tomuto výkonu je zajištěn dosah signálu až na vzdálenosti 500 respektive 300 m (volný prostor s ideálními podmínkami). V současné době se jedná o zařazení produktu do portfolia IQRF Alliance.

Další možností je použití modulu pro bezdrátový přenos dat do sítí LoRa a SigFox. Pinově kompatibilní SIM modul v současné době připravujeme. Tato komunikační rozhraní platformě otvírají brány do světa IoT s možností využití služeb mezinárodních nebo národních operátorů pro komunikaci dat do cloudového řešení zákazníka, bez nutnosti instalovat vlastní síťovou infrastrukturu. Navíc technologie bezdrátového přenosu dat používaná v sítích LoRa a Sigfox prodlužuje dosah signálu na vzdálenost až několik kilometrů což umožňuje senzor umístiti ve značné vzdálenosti od přenosové gateway. Datové toky podporované sítí Sigfox (12×8 bit / zprávu) nebudou stačit na rychlé vzorkování a přenos dat například každých 5 minut, ale pouze na přenos dat silně průměrovaných za delší časový úsek, nebo přenos pouze při překračování nastavených limitů. Základní nastavení senzoru lze provádět změnou konfiguračních registrů pomocí rozhraní RS485. Možnosti přenosu dat v síti LoRa jsou podstatně bohatší, protože přenosová rychlost může dosahovat hodnot až 20–50 kbps. Proto je možné zasílat data s časovým krokem výrazně kratším. Časová data je pak vhodné skládat do bloků a využívat plného obsazení datových zpráv, které jsou vysílány s periodou výrazně delší než samotný odběr vzorků. Maximální délka využitelného datového rámce v síti LoRa je 256×8 bit/zprávu.

LED – okamžitá indikace stavu

Senzor funguje plně samostatně podle přednastavené konfigurovatelné vnitřní logiky i bez připojení k nadřazenému systému. Varování a alarmový stav jsou okamžitě indikovány na RGB LED diodě, která je integrována přímo v těle senzoru. Díky indikaci lze rozlišit, zda je stav v mezích běžných hodnot nebo zda je nutné udělat opatření pro zlepšení stavu. Zároveň je možné podle barvy rozeznat, která veličina varování nebo alarm způsobila a podle toho se zachovat. Samozřejmostí je možnost softwarové konfigurace LED diody včetně jejího vypnutí.

Senzory

Současná verze komplexní platformy pro vyhodnocení vnitřního prostředí využívá pro měření CO₂ a VOC elektrochemické senzory TGS4161 a TGS2602. Díky vysoké spotřebě těchto senzorů není současná verze schopna provozu z baterií což limituje její použití pouze pro aplikace s přístupem k externímu napájení. Zároveň tyto senzory VOC a CO₂ trpí dlouhodobým driftem hodnoty, který vyžaduje periodickou autokalibraci. Podobu senzorů i jejich spotřebu ukazuje následující tabulka.

Senzor	Ilustrační obrázek	Orientační spotřeba ve stavu měření [mW]	Poznámka
T+RH (SHT 21)		0,9	Odměr ihned, SMD LGA pouzdro
CO2 (TGS4161) – elektrochemický		250	Platná výstupní hodnota po cca 10 min
CO2 (CDM7160) – NDIR		75	Platná výstupní hodnota po cca 2 min
VOC (TGS2602) – elektrochemický		280	Relativně vysoká spotřeba, platná data po cca 10 min
VOC (TGS8100) – elektrochemický SMD		15	Velmi malá spotřeba, SMD pouzdro
Prachové částice (GP2Y1010AU0F)		100	Možno provozovat pulzně, výstupní hodnota je platná ihned po zapnutí

Připravujeme

Připravovaná novější verze platformy bude využívat senzor CDM7160 pro měření CO₂ pracující na principu NDIR (non-dispersive infrared), které jsou dlouhodobě stabilnější než senzory elektrochemické a mají nižší spotřebu energie (75 mW proti 250 mW). Dalším vylepšením nové verze senzoru je náhrada VOC senzoru zcela novým typem pro detekci kontaminujících látek ve vzduchu TGS8100. Tento senzor má cca 20× nižší spotřebu energie než starší typ TGS2602 a úhrnně detekuje kontaminanty jako jsou metan, isobutan, etanol, cigaretový kouř a jiné. Novinkou bude i detektor prachových částic ve vzduchu GP2Y1010AU0F, díky němuž bude senzor skutečně schopen odlišit cigaretový kouř od jiných kontaminantů, které rovněž ovlivňují VOC senzory a bude schopen odhalit i silně zaprášené provozy.

Závěr

Závěrem lze říci, že se návrhářům dostává do ruky senzorová platforma pro komplexní hodnocení kvality vnitřního prostředí s plně otevřeným komunikačním protokolem a s možností integrace vybraného vhodného bezdrátového komunikačního rozhraní. Navíc je možné, aby jednotka pracovala zcela autonomně a sloužila pro indikaci kontaminantů doma nebo i ve veřejných budovách, jako jsou školy či jiné instituce. Senzor lze také připojit k jednotkám nucené výměny vzduchu, a tak zajišťovat kvalitní vnitřní prostředí v budovách v plně automatickém režimu bez zásahu uživatele.

Poděkování

Tato práce byla podpořena MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura

1. Redlich C. A., Sparer J., Cullen M. R. Sick-Building Syndrome, The Lancet, vol. 349, number 9057, p. 965–1036, 1997.
2. Mathauserová, Z. Hygienické požadavky na vnitřní prostředí staveb. Portál TZB-info.cz, dostupné na
   http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/9595-hygienicke-pozadavky-na-vnitrni-prostredi-staveb, 2013. Citováno 4. 4. 2015.
3. Doležílková, H. Kvalita vnějšího a vnitřního vzduchu. TZB-info.cz, 2010, citováno 10. 1. 2017, dostupné na
   http://vetrani.tzb-info.cz/vnitrni-prostredi/6486-kvalita-vnejsiho-a-vnitrniho-vzduchu.
4. Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví při práci, ve znění pozdějších předpisů.
5. ČSN EN 15 251 Vstupní parametry vnitřního prostředí pro návrh a posouzení energetické náročnosti budov s ohledem na kvalitu vnitřního vzduchu, tepelného prostředí, osvětlení a akustiky. ÚNMZ, 44 s, 2011.
6. Vyhláška č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích na stavby, ve znění pozdějších předpisů.
7. WMO Statement on the Status of the Global Climate in 2015. World Meteorological Organization, 2016, citováno 10. 1. 2017, dostupné na http://library.wmo.int/pmb_ged/wmo_1167_en.pdf
8. Lajčíková, A. Elektroiontové mikroklima. Státní zdravotní ústav, dostupné na
   http://www.szu.cz/tema/pracovni-prostredi/elektroiontove-mikroklima, 2007. Citováno 12. 1. 2017.
9. Vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost č. 307/2002 Sb. o radiační ochraně ve znění vyhlášky č. 499/2005 Sb. (od 1. 1. 2017 zrušeno zákonem č. 263/2016 Sb. Atomový zákon, nový prováděcí předpis zatím neuveden).
10. Zákon č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší, ve znění pozdějších předpisů.
11. Český hydrometeorologický ústav, grafická ročenka 2015, portal.chmi.cz