Sensory i detektory gazów w systemach wentylacji

Najczęściej stosowanym wskaźnikiem stopnia zanieczyszczenia powietrza spalinami w garażach jest poziom tlenku węgla, dlatego detektory tego gazu wykorzystywane są jako sterowniki wentylacji w garażach i parkingach podziemnych. Niebezpieczne dla zdrowia ilości szkodliwych spalin i trującego tlenku węgla w garażach zamkniętych wydzielają się już w ciągu kilku minut. Przy braku sprawnej wentylacji w garażu mającym powyżej 10 stanowisk jednoczesna praca kilkunastu silników samochodowych mogłaby się skończyć nawet śmiertelnym zatruciem przebywających w nim osób. Pojazdy są też zasilane mieszanką wybuchowych gazów skroplonych propan-butan (LPG) oraz skroplonym gazem ziemnym (metanem – CNG). Optymalny system wentylacji mechanicznej garaży powinien uwzględniać konieczność usuwania wszystkich gazów – zarówno lżejszych, jak i cięższych od powietrza, tak aby skutecznie pozbywać się tlenku węgla oraz propan­u‑butanu i metanu. Dlatego otwory instalacji wywiewnych powinny być zlokalizowane pod stropem oraz nisko nad poziomem podłogi.

Do sterowania systemem wentylacji w garażach zamkniętych i parkingach podziemnych oraz warsztatach samochodowych standardowo stosuje się proste w obsłudze systemy działające automatycznie, z detektorami progowymi sygnalizującymi przekroczenie dwóch lub trzech stężeń alarmowych.

Nowe obiekty są coraz częściej wyposażane w instalacje w standardzie tzw. inteligentnego budynku. Układ wentylacji z detektorami gazów łączony jest z systemem zarządzania budynkiem (BMS – Building Management System). Rozwiązania takie mają swoje plusy, ale system detekcji musi być niezawodny i niezależny od innych systemów sterowania czy nadzoru nad budynkiem. Należy zatem unikać rozwiązań, w których pomiędzy systemem detekcji a wentylacji i ostrzegania występują elementy pośredniczące w przekazywaniu sygnałów wykonawczych, gdyż każdy dodatkowy element wiąże się z potencjalnym spadkiem niezawodności systemu zabezpieczającego przed wybuchem lub trującymi gazami.

Systemy BMS mogą być jednak pomocne w eksploatacji systemów detekcji gazów – w przekazywaniu informacji o ewentualnych uszkodzeniach detektorów, zbliżających się okresach kalibracji, powtarzającym się przekraczaniu progów alarmowych i czasie pracy wentylacji lub jej sekcji. Do współpracy systemu detekcji z BMS stosuje się głównie detektory adresowane. Każdy taki detektor ma ściśle określony adres (miejsce w systemie) i centralka systemu detekcji może przekazywać informacje z tych detektorów także do systemu BMS.

Detektory i ich zadania

Prawo nie reguluje dopuszczalnego maksymalnego poziomu stężenia tlenku węgla w garażach i parkingach zamkniętych i projektanci korzystają z zapisów rozporządzenia w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy². Jeżeli na terenie garaży znajdują się warsztaty, kasy lub miejsca pracy pracowników ochrony, muszą one mieć odrębną instalację wentylacyjną, dostosowaną do warunków i wymagań danego pomieszczenia czy obszaru przeznaczonego do pracy³.

Zadaniem detektorów LPG i metanu jest wykrywanie wycieków gazu z pojazdów. Ich pierwszy próg reakcji to 5–30% dolnej granicy wybuchowości – z detektora wysyłany jest sygnał uruchamiający wentylację mechaniczną i sygnalizację alarmową.

System detekcji tlenku węgla monitoruje skład powietrza w różnych miejscach garażu i w razie przekroczenia dopuszczalnych wartości CO powinien spowodować stopniowe włączanie urządzeń wentylacyjnych. Po przekroczeniu drugiego progu stężenia CO wentylacja powinna być intensywniejsza, a komunikat z nakazem opuszczenia garażu na sygnalizatorach optycznych widoczny dla wszystkich osób znajdujących się w garażu (tak samo jak komunikat z zakazem wejścia przeznaczony dla osób planujących dostać się do garażu). Bardzo skutecznym rozwiązaniem są komunikaty głosowe i tablice wyświetlające tekst oraz sygnalizacja stanu zagrożenia za pomocą żółtych świateł pulsacyjnych. Przekaz taki jest wyraźny, jednoznaczny i nie wywołuje niepotrzebnego strachu czy paniki.

Dwutlenek węgla nie jest wprawdzie trujący, ale zawsze obecny w spalinach, dzięki czemu może zostać bardzo selektywnie i dokładnie zmierzony. Jest najbardziej miarodajnym składnikiem spalin samochodowych w garażach małych i dużych.

Sensory – rodzaje i cechy eksploatacyjne

Sensor elektrochemiczny to ogniwo wytwarzające prąd elektryczny, którego natężenie jest proporcjonalne do stężenia gazu przenikającego do elektrolitu ogniwa. Elektrolit można tak dopasować, że sensory mają bardzo wysoką selektywność (reagują na konkretne gazy). Zużywa się on jednak w miarę upływu czasu i intensywności pacy, sensory takie wymagają zatem kalibracji zgodnie z instrukcją obsługi. Używa się ich głównie do detekcji gazów toksycznych.

Sensor katalityczny pracuje dzięki wykorzystaniu egzotermicznej reakcji katalitycznego utleniania. Sensor ma dwa elementy – aktywny z warstwą katalizatora i bierny bez katalizatora. Te elementy, umieszczone w odpowiednim układzie elektronicznym, mają identyczną rezystancję w tej samej temperaturze. Po napływie gazu palnego na element z katalizatorem reakcja utlenienia zachodzi tylko na elemencie aktywnym. Wydzielające się ciepło jest proporcjonalne do stężenia gazu i powoduje wzrost temperatury i rezystancji elementu aktywnego. 

W układzie pojawia się napięcie, które łatwo zmierzyć i przeliczyć na wielkość stężenia gazu. Sensory katalityczne nie są selektywne czyli reagują na każdy gaz utleniający się w obecności katalizatora. Dlatego wykorzystuje się je do detekcji gazów wybuchowych i mierzą one stężenia do 100% dolnej granicy wybuchowości. 

Sensory infra-red (IR) wykorzystują zjawisko pochłaniania promieniowania podczerwonego przez cząsteczki gazu. Różne wiązania chemiczne pochłaniają różne długości fali elektromagnetycznej w zakresie podczerwieni. Sensory takie dobrze mierzą stężenie dwutlenku węgla, a także gazów wybuchowych – metanu i mieszaniny propanu-butanu (LPG).

Sensory półprzewodnikowe wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji półprzewodnika w zależności od stężenia gazu w powietrzu. Pomiar ten nie jest linowy i z tego powodu sensory takie są używane w detektorach progowych do detekcji przekroczenia określonych stężeń gazów wybuchowych lub toksycznych. Można w ich przypadku uzyskać wysoką selektywność, np. do pomiaru tlenku węgla.

Kalibracja i żywotność sensorów

Od rodzaju sensora zależą terminy jego kalibracji. Kalibracja, czyli wzorcowanie sensorów, to zespół czynności porównujących wskazania detektora w stosunku do gazu wzorcowego. Producenci podają terminy, po upłynięciu których należy kalibrować sensory, ale dotyczą one optymalnych warunków pracy. Kalibracja sensorów nie oznacza przeglądu systemu detekcji – ten także należy przeprowadzać w wyznaczonych przez producenta okresach. Przegląd wykonuje wykwalifikowana osoba z uprawnieniami, sprawdzając m.in. połączenia kablowe oraz działanie systemów wykonawczych. Nie da się na przeglądzie zaoszczędzić, gdyż wymaga go prawo oraz firma ubezpieczająca budynek.

Przeciętne okresy kalibracji zależą od rodzaju sensorów i warunków pracy oraz ich przeznaczenia. W przypadku sensorów półprzewodnikowych do detekcji LPG, metanu i CO w garażach i kotłowniach kalibracja wymagana jest po 1–3 latach, a do detekcji amoniaku, wodoru, acetonu, ksylenu, oktanu, związków organicznych, freonów – raz na rok. 

Dla sensorów katalitycznych do detekcji metanu, propanu-butanu, tlenku węgla, związków organicznych, pentanu, acetonu, ksylenu, oktanu, amoniaku i wodoru okres kalibracji wynosi od 3 do 6 miesięcy.

Sensory elektrochemiczne do detekcji CO, amoniaku, siarkowodoru, tlenu, chloru, tlenku etylenu – od 3 do 6 miesięcy.

Sensory infra-red do detekcji metanu, propanu-butanu, pentanu, oktanu, związków ropopochodnych, dwutlenku węgla – od 1 roku do 3 lat. 

Z kolei żywotność sensorów wynosi od 2 do 7 lat w przypadku elektrochemicznych do nawet ponad 10 lat dla półprzewodnikowych i infra-red.

Dobór rodzaju sensorów do zadań

Detektory mogą mieć różne zadania, tym samym przy wyborze sensorów do nich należy określić, czy będą one służyć do monitorowania procesów technologicznych w produkcji, czy do detekcji jakości powietrza na stanowiskach pracy, czy też do sygnalizowania zagrożenia wybuchu gazów i sterowania wentylacją mechaniczną. Do detekcji jednego gazu mogą być używane różne sensory. Wiodące firmy do detekcji samego metanu wykorzystują sensory półprzewodnikowe, katalityczne i infra-red w zależności od ich funkcji w detektorze i systemie detekcji. Potrzeby użytkowników są różne – ważne, jakich potrzebują zakresów pomiarowych, czy konieczna jest np. wizualizacja wyników i stosowanie zasilania awaryjnego. Bardziej zaawansowane układy detekcji są droższe, dlatego dobierając system, warto przeanalizować, czy rzeczywiście musi on mieć ciągły i precyzyjny pomiar stężenia gazu oraz dane na ten temat, czy też wystarczy detekcja progowa (dwa lub trzy progi) i alarm.

W wielu zastosowaniach można korzystać z sensorów tańszych i trwalszych – np. w domowych detektorach tlenku węgla, w systemach odcięcia instalacji gazowej w kotłowniach, a nawet w sterownikach wentylacji w garażach, tunelach i parkingach. W takich wypadkach nie ma potrzeby stosowania liniowego pomiaru, a sensory reagują już przy stężeniach wielokrotnie niższych od niebezpiecznych. Można tu wykorzystać detektory progowe z sensorami półprzewodnikowymi – trwałymi i niewymagającymi częstych kalibracji.

Wybór sensorów i detektorów a warunki eksploatacyjne

Na koszty eksploatacyjne wpływa również budowa detektorów – dostępne są rozwiązania z niewymiennym lub wymiennym modułem sensora. Zamknięta obudowa i niewymienny sensor, a nawet niewymienne zasilanie bateryjne sprawdzą się w przypadku zastosowań domowych i tam, gdzie nie jest konieczna fachowa służba techniczna. Natomiast do sterowania systemami wykonawczymi, przy detekcji gazów wybuchowych i sterowaniu wentylacją bytową warto rozważyć zastosowanie detektorów z wymiennymi modułami sensorów. Takie rozwiązanie umożliwia służbom technicznym wyjęcie sensora do przeprowadzenia kalibracji i włożenie już skalibrowanego bez konieczności demontażu całego detektora i wypinania go z instalacji. W przypadku rozbudowanych systemów pozwala to uzyskać oszczędności na serwisowaniu instalacji.

W niektórych systemach, szczególnie działających w obiektach, w których odbywają się procesy technologiczne, pożądaną cechą detektorów jest trwała i dostępna pamięć parametrów pracy, czyli informacje nie tylko o czasie pracy i alarmach, ale też o stanach awaryjnych i innych danych. Informacje takie można wykorzystać do wprowadzenia korekt w ustawieniach parametrów pracy systemu detekcji, a nawet do wymiany sensorów na inny typ, który lepiej się sprawdzi w danych warunkach. Zastosowanie detektorów z wymiennymi sensorami warto rozważyć zwłaszcza w obiektach przemysłowych i zakładach – w razie zmiany technologii wystarczy wymienić jedynie moduły sensorów, adekwatnie do nowych rodzajów substancji niebezpiecznych.

Dobór sensorów powinien też uwzględniać warunki pracy w monitorowanym obiekcie – tj. temperaturę, wilgotność, obecność gazów zakłócających pomiary. Sensory mają różną tolerancję na te czynniki.

Na eksploatację wpływa istotnie właściwy wybór miejsca montażu detektorów – trzeba pamiętać, że wykrywają one gaz tylko w miejscu zainstalowania. Montuje się je zatem tam, gdzie występuje najwyższe prawdopodobieństwo, że gaz do nich dotrze. Detektory powinny być łatwo dostępne, a jedocześnie montowane tak, by nie ulegały przypadkowemu uszkodzeniu – zwłaszcza w podziemnych parkingach, gdy ich zadaniem jest m.in. detekcja gazów wybuchowych.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
2. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU 2010, nr 109, poz. 719).
3. Rozporządzenie Ministra Rodziny, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 12 czerwca 2018 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (DzU 2018, poz. 1286).
4. Materiały firm: Alter, Gazex, Hekato, Pro-Service, Sensor Tech.

Artykuł ukazał się w Rynku Instalacyjnym nr 12/2020