Detta examensarbete har utförts under våren 1998 hos Hök Instrument AB i Västerås med Professor Bertil Hök som handledare.

Vi vill tacka Professor Bertil Hök för den handledning och det stora förtroende han visat oss under arbetets gång. Vi vill även tacka våran handledare på Mälardalens Högskola Doktor Mannan Mridha för det intresse och engagemang han visat för vårat examensarbete. Ett tack riktas även till Anders Blückert och Göran Sandberg för det trevliga bemötandet vi fick av er under de veckor vi var hos företaget.

Examensarbetet har finansierats genom ett bidrag från Teknikbrostiftelsen, Uppsala.

I Energikrisens spår följde ett behov av att minska kostnaden för uppvärmning av fastigheter. Detta ledde till att husen gjordes tätare och tätare för att minska oönskat läckage av uteluft in i huset. För att klara en bra ventilation i inomhusmiljön ökade beroendet av mekanisk tillförsel av friskluft. Ventilationssystem med föruppvärmning av utomhusluften och värmeväxlare för att utnyttja värmen i inomhusluft utvecklades.

Utvecklingen ledde till att förutom att ge en bra inomhusmiljö med god ventilation i flera hus, även till brister i ventilationssystem i andra hus. I undermåligt ventilerade byggnader skapades det så kallade sjuka hus syndromet, med fukt- och mögelskador som följd[1]. I överventilerade byggnader blev energikostnaderna i förhållande till nyttjande graden av byggnaden stora [2].

Forskningen började under 1980 talets tidiga år arbeta med att försöka finna en lösning till problemet med överventilerade byggnader. Genom att titta på olika lösningar för att beroende på närvaro i en lokal bestämma ventilationsnivån. Man fann att stora energibesparingar kunde göras genom att minska överventilering av byggnader.

Anledningen till att närvarostyrd ventilation inte funnit sin marknad, är att sensorerna har haft ett för högt inköpspris. Detta har lett till att Professor Bertil Hök, Hökinstrument AB Västerås utvecklat en sensor Q-AIR, som skall motsvara marknadens krav både vad gäller kostnaden och effektivitet.

Prototypen till denna sensorn har vi under detta examensarbete verifierat.

Målet med examensarbetet var följande:

Då ingen möjlighet fanns att genomföra avancerade tester av sensorn under konstant CO₂-nivå eller liknande, testades Q-AIR prototypen under väldigt enkla förhållanden. Vilket påverkar resultat till en del då vissa test ej kunnat genomföras.

Koldioxid ( CO₂ ) är en färglös gas med svag doft och sur smak, ca 1,5 gånger tyngre än luft vid samma tryck och temperatur. Koldioxid bildas vid all slags förbränning ( andning, förruttnelse, jäsning, eldning m.m. ) av organiskt material ( kolhydrater, proteiner, ved, kol, olja etc. ). Vid högre tryck än 5,2 atm ( t.ex. i gastub ) uppträder den som vätska, som stelnar vid -57⁰C och då bildar kolsyresnö ( torris ). Vid lägre tryck kan koldioxid inte föreligga som vätska utan övergår direkt i gasform, torris smälter inte utan övergår direkt i gasform. Koldioxid är den stabilaste av kolets oxider och är slutprodukt vid all oxidation av kol och kolföreningar med luft eller syre.

Vi producerar själva koldioxid och det är den huvudsakliga gas som avges till följd av människans ämnesomsättning. Utandningsluften innehåller ca 4% koldioxid eller 40 000 ppm ( parts per million ). Barn avger mindre koldioxid än vuxna. Normalt avger en människa som vilar ca 7 liter utandningsluft per min och vid kontorsarbete omkring 10 liter/min. Vid en snabb promenad eller tungt arbete avger en människa mellan 25 till 40 liter utandningsluft per minut och person [3, 4, 5].

Genom fotosyntesen, då växterna bildar kolhydrat av koldioxid och vatten förbrukas ca kg koldioxid på ett år, ungefär lika mycket koldioxid tillförs samtidigt luften på naturlig väg genom levande organismers andning och nedbrytning av dött organiskt material. Världshavens yta tar upp och avger koldioxid i ungefär samma mängder som växterna. Man antar att koldioxidhalten varit konstant under mycket lång tid. Men i dagens industriella samhälle tillförs luften dessutom stora mängder koldioxid utöver det naturliga bidraget. En femtedel av koldioxiden i atmosfären härrör från människans aktiviteter, främst förbränning av fossila bränslen, dvs. kol och olja. Dessutom tillför människan koldioxid till atmosfären genom skövling av skog . All denna extra tillförsel av koldioxid beräknas till ca kg per år och detta har medfört att luftens halt av koldioxid ökat avsevärt under 1900-talet [6, 7].

Den atmosfäriska koldioxidhalten idag är ca 360 ppm och ökar med ungefär 3 ppm per år, med variationer under årstiderna med upp till 10 ppm i Arktis [7]. Flera forskare befarar att den atmosfäriska koldioxidhalten kommer att öka och så småningom bli så hög att klimatet förändras, den så kallade växthuseffekten. [8].

Stora variationer kan även förekomma lokalt exempelvis nära motorvägar och industrier, i en storstad kan koldioxidhalten variera mellan 400 och 800 ppm [9, 10].

Inomhusklimatet beror på luftens temperatur, luftrörelser, luftfuktighet, värmestrålning och kvalitén på luften. Ljud och ljus har också en stor betydelse. Människor uppfattar variationer i inomhusklimatet på olika sätt, vilket innebär att det är svårt att skapa ett inomhusklimat där alla är nöjda.

Förutom i våra bostäder är det viktigt med ett bra inomhusklimat i skolor, gymnastiklokaler, daghem, arbetsplatser och i andra liknande lokaler där vi vistas ofta. Ett bra inomhusklimat ökar trivseln och gör att vi inte blir trötta och okoncentrerade. Det innebär också minskad risk för allergiska besvär eller andra sjukdomstillstånd. En medveten satsning på ett fullgott inomhusklimat är oftast en bra investering.[11, 12].

Över 300 ämnen har hittills identifieras i inomhusluften, ca 70 av dem förekommer allmänt [4]. Luftkvalitén i en byggnad påverkas av såväl byggnadsmaterial som människor och processer, i princip skulle luften kunna renas från dessa ämnen. Tyvärr låter endast fasta partiklar avskiljas med hjälp av filter, medan en mycket dyrbar teknik skulle krävas för att avskilja gasformiga ämnen. En acceptabel luftkvalitet upprätthålls istället genom ett effektivt ventilationssystem. Undersökningar visar att sambandet mellan ventilationsbehovet och hälsa- och hygienindikatorer bestäms av lukt, fukt, CO ( kolmonoxid ) eller CO₂ och deras samvariation med luftflödet [13, 14].

Den relativa fuktigheten skall inomhus ligga mellan 20 - 40% [4, 14, 15]. För låg luftfuktighet kan innebära besvär med uttorkade ögon, läppar, hud och slemhinnor i näsan. Men människans förmåga att avgöra, känna hur torr eller fuktig luften är, är dåligt utvecklad. Däremot kan känslan, upplevas torr av låga halter ämnen eller damm i luften eller genom en temperaturhöjning på några grader. Indirekta effekter av luftens fukthalter är större, vid låg fukthalt blir t ex människan, liksom vissa material, lättare statiskt uppladdade med risk för obehagliga stötar. Dammalstringen kan också bli större. En hög fukthalt medför kondens och mikrobiologisk tillväxt ( bl.a. mögel, alger och kvalster ) [11, 13, 14].

Kolmonoxid är en giftig gas som inomhus uppkommer vid tobaksrökning eller då förbränning sker i dåligt ventilerade eldstäder [4]. Man har visat att om halten kolmonoxid ökar, till följd av tobaksrökning, med 2 ppm får de flesta ögonbesvär [13].

Om halten koldioxid i inandningsluften överstiger ca 2% blir vi människor andfådda genom inverkan på andningscentrum. Vid högre halter får vi även huvudvärk och ökat blodtryck men medför efterhand medvetslöshet, halter över 5% kan leda till döden [3]. Tabell 2.1 visar olika nivåer och gränser för koldioxidkoncentrationen som riskfaktor för människan. Arbetarskyddsstyrelsens krav under ett 8-timmarspass är att inte koldioxidhalten får överstiga i medeltal 5000 ppm, dvs. 0,5% [5].

Den internationella uppfattningen är att koldioxidhalter mellan 500 till 3000 ppm inte ger effekter på människors hälsa. Men undersökningar visar att många människor klagar redan vid koldioxidhalter kring 1400 ppm, luften upplevs som kvalmig [15, 16].

Den idealiska inomhustemperaturen ska ligga mellan 20-24⁰C för ett bra inomhusklimat ska råda. Ljudnivån skall ej överstiga 45 dB ens vid enstaka tillfällen[ 4, 11].

Det som har tagits upp här har bara rört det mest väsentliga om inomhusklimat och hälsa, vidare finns även föreskrifter om hygieniska gränsvärden för andra gasformiga- och partikelformiga föroreningar samt andra faktorer t ex golvtemperatur, strålning och lufthastighet.

Ventilationens uppgift är att tillföra ren uteluft och att transportera bort föroreningar som fukt, farliga ämnen, damm, matos och dålig lukt. När det gäller olika varianter av ventilationssystem talar man framförallt om S, F, FT och FTX [4, 17].

Självdragsventilation (S-ventilation)

De flesta äldre småhus och flerbostäder har självdragsventilation som grundar sig på skorstensverkan, dvs. varm luft är lättare än kall luft och stiger därför. Den kalla uteluften kommer in i huset genom otätheter vid bl.a. fönster, dörrar och springdon (friskluftsventiler), och den varma inneluften försvinner ut genom don i kök och badrum.

Självdragsventilation kan ge onödigt stor luftväxling på vintern, medan luften står praktiskt taget stilla när det är varmt. Ett annat problem är energiförbrukningen, den tilluft som förs in i huset måste värmas till rumstemperatur av värmesystemet.

Frånluftsventilation (F-system)

Här används en fläkt som suger ut dålig luft från våtutrymmena samt från köket genom en spiskåpa. Kalluften kommer in som vid självdragsventilation.

Luftväxlingen blir ungefär lika stor både vinter och sommar, men kalluften utifrån kan vintertid upplevas som kalldrag. Vidare kan tilluft genom otätheter eller springdon bli mer koncentrerad och med många utspridda otätheter kan medföra att springdon stängs och uteluftsväxlingen minskar. Våtutrymmena kan drabbas av fukt och mögelskador.

Med effektiv tätning och med bibehållande av normenlig ventilation kan energiförbrukningen minskas betydligt jämfört med det gamla "självdragshuset".

Balanserad ventilation (FT-system)

Med balanserad ventilation innebär att luften ut ur huset och in i huset styrs av fläktar. Den inkommande kalla luften kan också filtreras och förvärmas innan den tillförs bostaden.

Med balanserad ventilation får man kontroll över var i huset luften kommer in och kan därför få nödvändig luftväxling på alla ställen.

Balanserad ventilation med värmeåtervinning (FTX-system)

Värmeförluster vid luftväxling kan reduceras genom att det balanserade systemet kompletteras med värmeåtervinning. En värmeväxlare överför värme mellan frånluft och tilluft utan att överföra luktämnen och andra föroreningar.

Med FTX-systemet kan åtminstone hälften av värmeenergin i den utsugna luften återvinnas, den totala energibesparingen blir dock mindre än FT-systemet då det krävs elenergi för att trycka luften genom värmeväxlaren samt att kalluft utifrån kommer in genom otätheter.

Ett system för behovsstyrd ventilation är ett ventilationssystem där luftflödets storlek styrs av halten luftburna föroreningar i rumsluften [18]. Genom BSV minskar föroreningshalten i rumsluften samtidigt som systemet begränsar energianvändningen. Stora mängder energi går åt i onödan för att värma ventilationsluft som sedan passerar genom tomma rum eller genom lokaler som dimensionerats för fler personer än som för tillfället vistas där. BS-ventilation går således ut på att ventilera beroende på personbelastningen, luftkvaliteten registreras med hjälp av givare som i sin tur påverkar uteluftsflödet. Det behövs dock en viss basventilation för att föra bort föroreningar som avges av byggnaden och inredning. Hur skall man då kunna registrera om människor är inne eller ej - om ventilationsbehovet föreligger eller inte?

Koldioxid som indikator

Genom tester med BSV har man kommit fram till att av styrsystemets givare måste man kräva möjligheten att ställa in ett börvärde och att bibehålla detta stabilt under längre tid. Vidare drogs slutsatsen att lämpliga givare för registrering av ventilationsbehovet i en lokal är koldioxid-, fukt- eller närvarogivare ( rörelse- eller strålningsdetektor ) [3, 15, 19, 20].

Redan för 100 år sedan visade Max von Pattenkofer sambandet mellan vad han kallade osund luft och dess innehåll av koldioxid [9]. Människan avger på grund av sin ämnesomsättning en mängd föroreningar, varav många luktande. Dessutom förbrukar hon syre och avger koldioxid. Koldioxidhalten har en stor procentuell ökning som gör den till en enkel mätbar indikatorn på personbelastning i ett rum. Syret däremot har en liten procentuell ändring även vid stor personbelastning, en koldioxidhalt på 5000 ppm motsvarar en reduktion av syrehalten i luften från ca 21% till ca 20,5 %. Ökning av koldioxidhalten inomhus jämfört med den koldioxidkoncentration ( friskluft ) som råder utomhus bestäms bland annat av antalet närvarande människor, deras aktivitet, rumsstorleken samt vistelsetid. Bidragande källor till ökningen av koldioxidhalten inomhus är t ex öppen förbränning av gas eller stearinljus. Det är önskvärt för att erhålla en effektiv närvarostyrd ventilering att dessa källors bidrag är minimalt. Studier i både Japan och USA har visats att den mängd koldioxid som människor andas ut kan mätas och till grund för att fastställa ventilationsbehovet, bästa effekten av metoden uppnås om koldioxidhalten registreras i varje rum [9].

Rekommendationer och gränsvärden

Enligt Arbetarskyddsstyrelsen skall man eftersträva att hålla koldioxidhalten under 1000 ppm i en arbetslokal där luftföroreningar huvudsakligen uppkommer genom personbelastning [21]. Detta gäller endast i ickeindustriella arbetslokaler. Samma gränsvärde ( 1000 ppm ) finns även i andra länder exempelvis i USA där American Society of Heating Refrigerating and Artic Conditioning Engineers ( ASHRAE  ) utformar rekommendationer för bland annat koldioxidkoncentration inomhus,  ASHRAE standard 62-1989. Vidare anser arbetarskyddsstyrelsen att koldioxidhalten inte skall anses som ett medelvärde över en dag, inte heller som ett takvärde som aldrig får överskridas, utan som en indikator på personbelastning och ventilation.

Gränsvärdet 1000 ppm har diskuteras mycket intensivt de senaste åren [ 22, 23]. Diskussionen har handlat om huruvida det är lämpligt med ett fast gränsvärde för koncentrationen av koldioxid i inomhusluften. Istället för en övre rekommendationsgräns vore det bättre att ha ett gränsvärde på skillnaden mellan "friskluft" och den aktuella koldioxidhalten i lokalen, värdet 700 ppm borde vara ett rimligt värde. Skillnaden 700 ppm ger ett uteluftsflöde av 7 liter per sekund och person, dvs. om uteluften har CO₂-halten 400 ppm skulle en CO₂-halt av 1100 ppm inne (700+400) medföra ett uteluftsflöde av 7 liter per sekund och person [16]. Friskluftsvärdet bör vara den koldioxidhalt som lokalen håller konstant under en längre tid utan personbelastning under t ex nätter eller helger. Ett sådant gränsvärde skulle mera korrekt visa inomhusluftens kvalité, då de regionala koldioxidhalterna varierar kraftigt. I storstadsområden skulle annars ett gränsvärde på 1000 ppm vara ett orimligt krav, där utomhusluften kanske innehåller en koldioxidhalt på 800 ppm.

Användningsområde

Minst två kriterier bör uppfyllas då BSV kan löna sig, det är:

* Lokalen har ett ventilations system ( FT eller FTX )utöver den naturliga ventilationen.

* Personbelastningen i lokalen varierar i tiden.

Lokaltyper där behovsstyrd ventilation kan användas är skolor, daghem, kontorslokaler, affärslokaler, biografer, teatrar och samlingslokaler samt liknande lokaler. I industriella arbetslokaler och i de fall rökning förekommer kan koldioxidkoncentrationen inte användas som mått på ventilationsbehovet[3,15] .

Besparingar

Undersökningar visar att stora energibesparingar kan göras med behovsstyrd ventilation, istället för att ha ett konstant uteluftsflöde [3, 15, 24, 25]. För de lokaler där BS-ventilation är aktuellt rekommenderar arbetarskyddsstyrelsen ett uteluftsflöde som inte understiger 7l/s och person vid stillasittande arbete. Högre luftflöden kan behövas vid högre aktiviteter [19].

Inom IEA ( International Energy Agency ) har en utredning genomförts, "Demand controlled ventilating systems", som påvisar behovet av BS-ventilation och dess energibesparing.[ 3, 24 ] Resultat av deras energibesparingars beräkningar redovisas i tabell 2.2.

Det finns ingen enkel generell teoretisk formel för beräkning av de energibesparingar som kan göras med behovsstyrd ventilation. För att kunna beräkna energibesparingar i en lokal måste hänsyn tas till rummets värmetransmission och den interna värmealstringen. Energibesparingen med BSV varierar även med den personbelastning som gäller för den aktuella lokalen. Desto större variationerna av personbelastningen i förhållande till den dimensionerade kapaciteten i lokalen, ju större blir energibesparingen med BSV. Däremot finns det enkla formler för att beräkna den energibesparing som kan göras i minskad uppvärmningskostnad av uteluften till inneluftstemperatur i ventilationsanläggningar.

Kalorimetri:

För beräkningar av värmeenergi används generellt:

c_p = Specifika värmekapaciteten för luft vid konstant tryck =

m = massa

Räkneexempel på energibesparing med förutsättningar antagna till följande: 30 personer under en begränsad tid (60 min) i ett rum dimensionerat för 50 personer. Ventilationsanläggningen dimensionerad för 7 l/s och person.

Där c_p = Specifika värmekapaciteten för luft vid konstant tryck = .

t = 60 min = 3600 sekunder.

Med villkoren insatta i formeln blir energibesparingen = 32.58 MJ - 19.55 MJ = 13.03 MJ eller knappt 40 %.

Ett enkelt exempel visas i figur 2.1, där man ser hur mycket energibesparing i ventilationssystemet som kan göras med ett BSV-system till skillnad mot ett tidstyrt system. I exemplet används en forcerad ventilation i början av perioden och en viss basventilation under hela tidsperioden, personbelastningen i lokalen varierar. Den streckade arean i figuren visar energibesparingen.

Fyra starka skäl till BSV

Det finns minst fyra starka skäl för BS-ventilation baserad på CO₂-halt, ur ref. [3].

En CO₂-sensor för behovsstyrd ventilation skall för att bli attraktiv för marknaden uppfylla följande krav.

Tillförlitligheten för sensorn bör vara så stor att sensorns återbetalningsperiod uppfylls och även en viss tids drift med vinst erhålles.

För att verifiera Q-AIR prototypen användes förutom Q-AIR en referenssensorn som finns på marknaden.

Q-AIR 321BG

Q-AIR 321BG mäter temperatur, luftfuktighet och luftens CO₂ koncentration. Sensorn mäter koldioxidkoncentrationen genom att mäta variationer av ljudhastigheten i luften med ultraljudsgivare. Genom att CO₂-molekylen har en betydigt tyngre molekylmassa än kväve och syre vilka dominerar luftmassan, ger en ökad koncentration av CO₂ en lägre ljudhastighet. Även andra tunga gaser t ex lösningsmedel och flertalet avgaser ger motsvarande effekt. Däremot så ger lätta gaser som vattenånga ökad ljudhastighet. Men då sensorn mäter både temperatur och luftfuktighet kompenseras både variationer i temperatur och luftfuktighet av sensorn.

Figur 2.2 visar ett blockdiagram över Q-AIR sensorn och där framgår även mätprincipen. Variationer i ljudhastighet, temperatur och relativ luftfuktighet mäts separat. Ljudhastigheten mäts av ett sändar och mottagar par med en frekvens från en oscillatorkrets. På samma sätt kontrolleras kapacitiva luftfuktighetsgivaren och resistiva temperaturgivaren av två andra oscillatorer. Frekvenserna från oscillatorerna samplas av en mikroprocessor, där även databearbetning sker. Därefter visas värdena för CO_2, temperatur och luftfuktighet på en bargraph display, men man kan även få värdena digitalt ( RS485 ) eller analogt via en D/A-omvandlare.

R = 8,314 J/mol K är en generell gaskonstant.

T = absoluta temperaturen.

M = molekylens medelmassa för gasen[kg].

Temperaturkompensering styrs av en NTC-termistor som ändrar resistansen beroende av den omgivande temperaturen. Termistorns resistans bestäms av:

R = resistansen vid temperaturen T.

R_ref = känd resistans vid temperaturen T_ref.

B = temperaturkofficent beroende på termistor.

Luftfuktighetskompenseringen styrs av en kondensator, där kapacitansen bestäms av:

C = kapacitans i farad.

A = arean i m².

d = avståndet mellan elektroderna i m.

I det PC baserade dataprogrammet ( Windows ) till Q-AIR prototypen fanns möjlighet att ändra värdet på kalibreringskonstanter för kompensering av luftfuktighetsberoendet samt av förstärkningsfaktorn hos sensorn. Däremot fanns i denna version ingen möjlighet att ställa in utsignalens mätområde.

Referensgivare (Telaire 2001VT)

Till referenssensorn fanns ett PC baserat dataprogram ( MS-DOS ) med möjlighet att ställa utsignalen mätområde och välja om analog eller digital utgång skall användas. Det fanns även möjlighet att via dataprogrammet utföra kalibrering av sensorn.

 ( Telaire Europa AB Teknisk manual, bruksanvisning TELAIRE 2001VT )

Under testperioden var referenssensorns utsignalens mätområde inställt för att ge maximal utsignal ( 10 volt ) vid en CO₂-koncentration på 5000 ppm.

Q-AIR 321BG

I den tekniska beskrivning för Q-AIR finns angivit att sensorn har ett temperatur beroende, kompenseringen har lösts genom att en värmeregleringskrets anslutits till ultraljudsgivarna för att hålla en konstant temperatur kring givaren.

Innan testerna startade informerades vi om Q-AIR prototypens egenskaper och vissa brister som upptäckts i redan gjorda tester. Dessa brister var att sensorn gav ''spikar'', det vill säga avvikande höga och relativt snabba amplitudändringar på de digitala seriella utsignalerna och att misstanke fanns om att utsignalerna och bargraphen vid vissa tillfällen inte visade samma värde.

Vi informerades även om att den mikroprocessor PIC 17C44 från Microchip Inc. som används i Q-AIR prototypen har vissa buggar. Hök Instrument AB har själva upptäckt fel i kompilatorn till mikroprocessorn, vilken översätter programmeringsspråket till maskinkod. Misstanke finns att dessa fel i kompilatorn orsaker en del av de brister som Q-AIR prototypen uppvisar.

I och med att problemet med kompilatorn finns blir våra slutsatser mer allmänna än specificerade enbart till givarnas egenskaper, då kompilatorfelet antingen bidrar till eller döljer brister hos Q-AIR prototypen.

Innan verifiering av Q-AIR prototypen kunde påbörjas var vi tvungna att lösa hur sampling av mätdata skulle gå till och hur störningar på signalerna skulle begränsas.

3.1.1 Datalogger

En datalogger användes för att kontinuerligt sampla de analoga utsignalerna från Q-AIR, CO₂, temperatur, relativ luftfuktighet samt spänning från temperaturregleringskrets och de analoga utsignaler från TELAIRE ,CO₂ och temperatur. Dataloggen var utrustad med en 386 processor ( Award Software Inc. ) och med en total minneskapacitet inklusive flashminne ( M-system version 3.01) på 8,3 Mb från Capax Instrument AB. Dataloggen kan beskrivas i enklaste form som en liten dataenhet med möjlighet att ansluta olika datorkortfunktioner så som AD omvandling o.sv. Till dataloggen anslöts ett AD-kort av fabrikat ADLink och modell ACL-8111. AD-kortet har kapacitet för 8 ingående signaler varav 6 utnyttjades ( appendix 6 ). En flatdatakabel med längden 10m användes för dataöverföring mellan sensorerna och datalogger.

3.1.2 RC-filter

För begränsning av störningar konstruerades en passiv RC länk i en filterbox, med filtrering på varje ingående signal med en gränsfrekvensen ( 3 dB gräns ) på ca 20 Hz. ( appendix 6 ).

3.1.3 Mjukvara

För att logga mätvärden användes ett dataprogram skriven i C språk och av MS Dos format ( appendix 5 ) konstruerat av Göran Sandberg, Hök Instrument AB. Programmet modifierades för att kunna användas för vårt syfte. Programmet läser in alla mätdata till fil och skärm från tiden 0 för att därefter gå in en loop där möjlighet fanns att styra samplingstiden från minimum 6 sekunder och uppåt. Vidare kunde längden av samplingsperioden bestämmas i programmet. Detta gjorde det möjligt att skapa program med olika samplingstid och periodlängd. Genom att sedan i autoexec.bat utnyttja möjligheten att exekvera programmen efter varandra fanns möjlighet att under samma mätperiod sampla med olika hastighet. Vidare fanns möjlighet att sampla relativt snabba signaler från temperaturregleringskretsen då det var av intresse att se hur väl reglering av temperaturen i givarhuset fungerade.

3.2 1 Genomförande

Innan test av Q-AIR prototypen kunde genomföras i en för sensorn avsedd miljö. Var det nödvändigt att genomföra ett antal inledande test för att dels kontrollera programvaran för loggning av mätvärden och dels för att finna ett lämpligt dataprogram för bearbetning av dessa mätvärden. Testen genomfördes i Hök Instrument AB:s lokaler och genomfördes genom att loggning skedde under perioder på 1 - 2 timmar för att sedan avslutas.

3.2.2 Resultat

Under de inledande testen fann vi att Q-AIR prototypen uppvisade ett märkligt beteende med stora amplitudändringar på de analoga utsignalerna CO₂ ( Qco2 ), temperatur ( Qtemp ) och luftfuktighet ( Qrh ). Däremot var CO₂ ( Tco2 ) signalen från referenssensorns stabil. Utsignalerna från Q-AIR prototypen antog slumpvis positiva eller negativa ''spikar'' med maximal respektive minimal amplitud ( diagram 3.1 och appendix 1 diagram A1:1 ). Detta fenomen kunde omedelbart ses på dataskärmen direkt efter loggningen startat, samt även i det skede som mätdata bearbetades.

3.2.3 Bearbetning av mätdata

Inledningsvis genomfördes databearbetningen med dataprogrammet Excel 97 och vi fann att detta program mycket väl motsvarade det behov av flexibilitet och enkelhet som är nödvändig vid bearbetning av en stor mängd data. Varför beslut fattades om att använda detta dataprogram för behandling av mätdata.

Efter att studerat mätdata från de inledande loggningarna drogs slutsatsen att ''spikarna'' på de analoga utsignalerna troligen beror på felet i kompilatorn. Dessa kan tas bort ur mätserien utan att påverka resultatet. Vi fann att ''spikarna'' enkelt kunde tas bort från mätdata utan att detta icke påverkade mätresultatet i för stor utsträckning. I dataprogrammet Excel 97 fanns det flera valmöjligheter om hur denna ''filtrering'' av mätdata skulle gå till. Efter att provat ett antal olika lösningar beslöt vi oss för att i databladet skapa nya kolumner dit ''spikarna'' flyttades, för att spara dessa spikar och genom att då spikarna fanns kvar på databladet försöka finna något förklaring till detta fenomen.

Vid plottning av diagram till mätdata beslöts att låta Excel automatisk genomföra en interpolation för de tomma celler vilka uppstod för CO₂, temperatur och luftfuktighets värdena ( diagram 3.2 ). Försök med att beräkna medelvärde genom att i Excel skriva beräkningsformler i de tomma rutorna föll på att det ofta uppstod ''spikar'' efter varandra. Varvid Excel inte kunde beräkna medelvärden för dessa på grund av cirkelreferens, det vill säga att ett beräknat medelvärde ingick i intervallet för nästa beräknade medelvärde.

Följande kriterier var önskvärda vid valet av lokal för att genomföra den verifiering av sensorn som är nödvändig för att bekräfta teorien att närvaroindikering för  BSV, genom att mäta CO₂-koncentrationen i inomhusluften.

Övriga kriterier så som möjlighet att reglera ventilationssystemet och möjlighet att mäta luftflödet i lokalen bedömdes i detta läge ej vara nödvändiga. Vi fann att lunchrummet med tillhörande kök i Teknikhuset på Flottiljgatan 55, Västerås ( appendix 7 ) uppfyllde kriterierna.

Q-AIR och referenssensorn monterades på en träplatta med storleken 38 x 23 cm för att enkelt kunna väggmontera sensorerna vid testtillfället. Vidare placerades dataloggen och en bildskärm ansluten till dataloggen i samma lokal. Sensorerna placerades på ena lång väggen på en höjd av 2 m och i närheten av ett bord avsett för 8 personer. Valet av placering betydde att vid mätningar blev variationerna stora beroende på stora förändringar av person närvaron. Loggning i lunchrummet påbörjades onsdagen den 22 April 1998.

3.3.2 Resultat

Vid jämförelse mellan loggningsprotokoll och diagram från den första loggning i lunchrummet framgår ett tydligt samband mellan antal personer som vistas i lokalen och halten av CO₂ koncentrationen i luften ( diagram 3.3 ).

Att Q-AIR prototypen har ett beroende av luftfuktigheten framgår tydligt under loggningsperioden Fredag 980424 - Måndag 980427 ( diagram 3.4 ) där CO₂ amplituden hos sensorn ändras beroende av luftfuktigheten. Då loggningen genomfördes under ett veckoslut då personbelastningen i lokalen är minimal och temperaturvariationerna små, kan slutsatsen dras att ingen annan påverkan än ändring av luftfuktigheten förekommit.

Efter utvärdering av mätresultaten från de inledande testerna tillsammans med handledaren Professor Bertil Hök, Hök Instrument AB. Konstaterades det att Q-AIR prototypen uppvisar sådana brister att den ej kan användas för att verifiera teoriorena bakom BSV. Och så länge felen kvarstår i kompilatorn kan inte felen som beror på detta påverkas, och därmed kan ingen buggfri mikroprocessor skapas.

Slutsatsen blev att delar av de ursprungliga målen ej gick att uppfylla. En planering för den fortsatta verifieringen av Q-AIR prototypen gjordes, och omfattade följande:

Att i en kontrollerad laboratoriemiljö påvisa att de brister som upptäckts inte är slumpmässiga och att genom stressande tester ( temperatur, luftfuktighet o.s.v. ) försöka påvisa andra icke upptäckta brister hos Q-AIR prototypen.

Att verifiera beräkningsalgoritmen för koldioxidkoncentrationen med avseende på fukt- och temperaturvariationer.

Att resultaten från dessa tester skall användas när kompilatorn fungerar normalt för fortsatt verifiering av Q-AIR prototypen.

För att undersöka Q-AIR prototypen mer specifikt och utan att några yttre oönskade faktorer skulle påverka resultaten, placerades givarna ( Q-AIR och referens givare ) i en plastlåda som kallades "akvariet". Akvariet var byggt av plexiglasskivor och hade en volym av ca 61 liter, där den ena långsidan fungerade som dörr. I denna miljö kunde experiment genomföras utan att sensorerna blev utsatta för påverkan av okontrollerade faktorer. Det vill säga att icke önskvärda variationer av luftströmning, koldioxid koncentration, luftfuktighet och temperatur blev begränsade till ett minimum. Förutom att jämföra och kontrollera Q-AIR:s påverkan av koldioxid, omfattades sensorn nu även av tester om hur sensorn påverkades av temperatur- och luftfuktighetsändringar. Vidare undersöktes om utsignalerna och bargraphen visade samma värden. Dessutom experimenterades med olika typer av givarhus på ultraljudsgivarna och olika värden på kalibreringskonstanter. Dessa experiment indelades i Akvarielogg och Akvarietest.

Samma labbplatta som konstruerades för tidigare tester användes och placerades stående inne i akvariet. Datakabeln för loggning av de analoga utsignalerna placerades så att tätningen i dörren fick minsta möjliga åverkan. Vid vissa loggningstillfällen anslöts även en modemkabel för sampling av seriell datautgång även denna kabel placerades så att akvariets tätning till stor del kunde bibehållas.

3.5.2 Akvarielogg

Akvarielogg genomfördes under längre tid, oftast från eftermiddagen till morgonen därpå eller under veckoslut. Samplingstiden var vid flertalet loggningar 1 minut, men vid ett fåtal loggningar användes den så kallade snabbloggningen med en samplingstid på 10 sekunder. 20 st. Akvarielogg genomfördes, men akvarielogg_15 kasserades på grund av att arbeten pågick med sensorn vilket gjorde att mätresultatet blev ointressant. Alla loggningsprotokoll och diagram under perioden är samlade i appendix 3.

Under loggning 980505 ( diagram 3.6 ) då sensorn utsattes för en kontrollerad höjning av omgivande luftfuktighet visade prototypens CO₂ utsignal ett stort beroende av luftfuktigheten. Som i fallet med temperaturberoendet inträffar detta vid positiv luftfuktighetsderivata

Detta beror på att kalibreringskonstanten för kompenseringen av luftfuktigheten har valts fel. Vid loggningen 980506 ( diagram 3.7, kl. 10:04 ) ändrads värdet på kalibreringskontanten dels till ett 0 värde för kontroll av att kompenseringen av luftfuktigheten fungerar vilket den gjorde och dels till ett lägre värde ( kl. 10:41 ) än vid loggningen 980505 vilket gav en bättre kompensering.

Vid val av kalibreringskonstanten till bidraget från frekvensen i algoritmen måste försiktighet tas i valet av värdet på konstanten. Om valet av värdet på konstant är för litet blir CO₂-signalen brusig ( diagram 3.8 ).

 Om valet av värdet på konstanten är för stort blir amplituden på CO₂ utsignalen låg i förhållande till referens sensorn ( diagram 3.9 ).

Det råder ett motsatsförhållande i valet av värdet på förstärkningskonstanten mellan brusighet och amplitud. Amplitudnivån jämfördes med referenssensorn.

Vid test av samband mellan analoga utsignalerna och bargraphens värde ( CO₂, temperatur och luftfuktighet ) användes en visuell metod för att finna eventuella avvikelser. Genom att studera bargraphen och när maxvärde visades avläsa utsignalens värde på bildskärmen, och vice versa. Det fastslogs att bargraphen och utsignalerna ibland visade olika värden ( tabell 9.1, 9.2 och 9.3 ).

Under testerna i akvariet kunde vi fastslå att de relativt snabba oväntade amplitudsänkningar förekom under flera av loggningar. Detta syns tydligt i diagram 9.1 och i appendix, diagram A3:1-2, A3:7, A3:9, A3:12, A3:14-15 och A3:17.

3.5.3 Akvarietest

Akvarietest serien är en fortsättning av Akvarielogg serien varför resultat som är de samma inte redovisas i resultaten från akvarietest. Akvarietesten gjordes under dagarna och varade under kortare perioder där Q-AIR prototypen utsattes för fler tester än vad som var fallet i akvarielogg serien. Samplingstiden var ca 7 sekunder och 9 st. Akvarietest genomfördes. Loggningsprotokoll och diagram finns i appendix 4. Akvarietest_1 och Akvarietest_2 användes för test av det nya snabbloggningsprogrammet där även spänningen ut från temperaturregleringskretsen loggades. Dessa test ingår därför inte i nedanstående redovisning.

Allt tyder på att Q-AIR sensorn får ett konkurrenskraftigt pris och att underhållskostnaden kommer att hållas på en godtagbar nivå.

Sensorn visar bra känslighet för den valda indikatorn ( CO₂ ) och har en känslighet för liknande tunga gaser. Vilket inte är nackdel då dessa gaser skall ventileras ut så fort som möjligt.

Sensorn är anpassad till gällande EN normer vad gäller styrsignalerna och möjlighet att välja typ av utsignal dels förprogrammerat i sensorn eller som tillbehör via externt dataprogram. Sensorn uppfyller störningsnormen 89/336/EEC.

Snabbheten ligger väl inom det intervall, 2-4 minuter som speciferades i krav specifikationen.

Ingen hysteres har kunnat konstaterats, men vid vissa tillfällen har en viss tendens till hysteres kunnat skönjas.

Mätområdet för Q-AIR prototypen är 2000 ppm vilket är fullt tillräckligt för en bra ventilationsreglering.

Sensorns linearitet har inte fullt ut kunna bedömas, men i de tester som gjorts har ingen uppenbar olinearitet kunna spårats.

Övriga punkter under kravspecifikationen har inta utretts då dessa ligger utanför ramen för examensarbetet.

Idén med att använda sig av CO₂ koncentrationen i inomhusluften som en indikator på hur stor personbelastning det är i rummet fungerar. I diagram 8.1 framgår sambandet mellan koldioxidkoncentrationen i rummet och antal närvarande personer. Dessa iakttagelser bekräftar teorin om att använda sig av en sensor som mäter CO₂ koncentrationen i luften för att indikera närvaro i ett utrymme.

Dessa fel kan bero på flera orsaken, dels kan felet i kompilatorn bidra. Andra möjliga fel kan vara överhörning i sensorn eller att beräkningsalgoritmen i mikroprocessorn skapar overflow.

Orsaken till de relativt snabba amplitudminskningarna är svåra att fastslå men en möjlig orsak kan vara felet i kompilatorn.

Den högts prioriterade åtgärden är att finna alla fel i kompilatorn och skapa en buggfri version av programmet till mikroprocessorn för att eliminera alla brister beroende på kompilator fel. När detta fel åtgärdats bör kvarvarande brister kontrolleras ytterligare och om följande råd följs minimeras dessa brister.

Sensorn har ett temperaturberoende och då värmeregleringshuset ej hittills kunnat konstrueras så att en konstant temperatur erhålls. Behövs en fortsatt utveckling av ett värmeregleringshus som håller en konstant temperatur eller att i mikroprocesserorn kompensera ytterligare för att temperaturberoendet i Q-AIR prototypen skall nå sitt minimum.

För att en signal låg brusighet ska erhållas är det viktigt att välja förstärkningskonstanten låg och för att även erhålla en bra amplitud tillföra ytterligare en konstant, vilken gäller för hela uttrycket i beräkningsalgoritmen.

Efter att kompensering av luftfuktighets beroendet genomförts är det viktigt att bibehålla förhållandet mellan förstärkningsfaktorn och kalibreringskonstanten för luftfuktighetsberoendet. Om någon av konstanterna ändras i efterhand, påverkas även kompenseringen för luftfuktighetsberoendet.

Ytterligare tester måste genomföras för att undersöka om hysteres förekommer, om så är fallet finna lösningar på problemet.

[1] Urban Norlén; Hänsyn till hälsa, energi och miljö kräver förbättringar av våra bostäder. Bygg & teknik nr 2 1996.

[2] Kjell Andersson; Inomhusklimat och hälsa. Bygg & teknik nr 3 1995.

[3] International Energy Agency ( IEA ),Coordinatiors: Lars-Göran Månsson och Sven A. Svennberg; Demand Controlled Ventilating Systems - Source Book Swedish Council for Building Research, Stockholm, Sweden D2:1993 ISBN 91-540-5513-X

[4] Industriförbundet; Ditt Inomhusklimat, Industriförbundets Förlag AB 1990 ISBN 91 7176 163 2

[5] Arbetarskyddsstyrelsen kungörelse med föreskrifter om hygieniska gränsvärden, AFS 1996:2.

[6] Stig Andersson, Artur Sonesson och Aina Tullberg ;Gymnasiekemi 1, Liber AB 1993 ISBN 91-47-00103-8.

[7] Holmén K; Klimatforskare spår i kristallklar luft, Forskning & Framsteg 96/1, 4-8.

[8] Naturvårdsverket; Växthusgaserna, Utsläpp och åtgärder i internationellt perspektiv, naturvårdsverket rapport 4011,Naturvårdsverket 1992 ISBN 91-620-4011-1.

[9] David Södergren, Bengt Dahlgren; Behovsstyrd ventilation, VVS & Energi 5:83.

[10]Lars Ekberg och Ove Strindehag; Koldioxidhalter och uteluftsflöden, Omdiskuterad mätmetod kontra ventilation Energi & Miljö nr 11-12 1996.

[11]Ulf Regnholt; Inneklimat och Hälsa en sammanställning, Svenska Inneklimatinstitutet Handboksserien H4

[12] Sven Andersson; Anpassad ventilation i sjukhus. VVS & Energi nr 7-8 1984

[13] Socialstyrelsen; Ventilation, En kunskapsöversikt, Socialstyrelsen 1998:13 ISBN 91-38-11051-2.

[14] Kjell Andersson och Göran Stridh; Hälsa, inomhusklimat och byggnader. Bygg & teknik nr 3 1997.

[15]Ingmar Jansson, Bertil Ahlbeck och Sven Andersson; Behovsstyrd ventilation, Styrning av CO2-halten i ett storkontor samt utveckling av en prisvärd mätgivare, Byggforskninsrådet, Rapport R17:1987 ISBN 91-540-4681-5.

[16] Nils Einar Wahlgren; Behovsstyrd ventilation - en fråga om koldioxidhalt, Energi & Miljö 1-2/96.

[17] Ragnar Hjertén, Ingemar Mattsson och Helena Westholm; Som man Bygger får man Ventilera, Stiftelsen Arkus Förlag: Byggförlaget 1996 Skriftnummer 24 ISSN 0284-7809

[18] Sven A. Svennberg och Henry Willman; Enkla och driftsäkra system för behovsstyrd ventilation i lokaler. Bygg & teknik nr 3 1994

[19] Leif Eriksson och Ove Strindehag, Konferensrum med behovsstyrd ventilation. Energi & Miljö nr 112 1991

[20] Stig Olsson; Nytänkande inom behovsstyrd ventilation: Närvarostyrning. VVS & Energi nr 1 1984

[21] Arbetsskyddsstyrelsens författningssamling; Ventilation och luftkvalitet, AFS 1993:5

[22]Svante Lundbäck; Att mäta koldioxid. En möjlighet, inte ett hot ! Energi & Miljö nr 9 1996.

[23]Steve M. Hays, Ronald V. Gobbell och Nicholas R. Ganick; Indoor Air Quality, Solutions and Stragies, McGraw-Hill, Inc.USA 1995 ISBN 0-07-027373-1

[24] International Energy Agency ( IEA ),Editor: Lars-Göran Månsson ; Demand Controlled Ventilating Systems - Case Studies, Swedish Council for Building Research, Stockholm, Sweden D1:1993 ISBN 91-540-5511-3

[25]Bo Se; Behovsstyrd ventilation, Storsatsning på storsjukhus. VVS & Energi nr 7-8 1984

Peter W. Grieve; Bedöma ventilation, mätning och utvärdering med spårgasteknik, Brüel & Kjær Huddinge Sweden.

Per-Göran Persson; Reglerhandboken, VVS - system, Tour & Andersson AB och Liber Utbildning AB 1994 ISBN 91-634-0630-6