Czujniki CO2 w hali — progi alarmowe, liczba i rozmieszczenie

Zakres tego opracowania jest wąski i liczbowy: wartości progów stężenia dwutlenku węgla, jednostki i warunki, w jakich te wartości obowiązują, oraz reguła przeliczenia liczby punktów pomiarowych na kubaturę strefy przebywania i krotność wymian powietrza. To dane wejściowe do specyfikacji zakupowej i do protokołu odbioru, nie przegląd rynku urządzeń.

Ogólne kryteria doboru urządzenia do konkretnego czynnika szkodliwego, zasady wzorcowania i oceny wiarygodności danych pomiarowych oraz wspólna dla wszystkich gazów reguła lokalizacji i liczby punktów pomiarowych należą do poradnika nadrzędnego o detekcji gazów i monitoringu powietrza — tutaj nie są powtarzane. Wykorzystanie dwutlenku węgla jako gazu znacznikowego do oceny skuteczności mieszania powietrza opisuje odrębne opracowanie o pomiarach środowiska pracy i również pozostaje poza tym tekstem.

Powód, dla którego CO2 wymaga własnego zestawu liczb, jest fizyczny. W stężeniach spotykanych w hali dwutlenek węgla nie tworzy warstwy przy posadzce, więc reguła rozmieszczenia typowa dla gazów cięższych od powietrza prowadzi tu do błędnego montażu. Jednocześnie CO2 techniczny, uwalniany z butli, fermentacji albo suchego lodu, zachowuje się dokładnie odwrotnie. Jeden zakład potrzebuje więc dwóch niezależnych zestawów punktów, z osobnymi wysokościami i osobnymi progami.

Czysty dwutlenek węgla ma w 20 °C i 1013 hPa gęstość około 1,83 kg/m3, a powietrze około 1,20 kg/m3, czyli jest od niego cięższy około 1,5-krotnie. Ta liczba dotyczy jednak gazu czystego, nie mieszaniny oddechowej.

Nadwyżkę gęstości mieszaniny liczy się z udziału objętościowego i różnicy masy molowej: przy 1000 ppm powietrze z CO2 jest cięższe od czystego powietrza o około 0,05 procent, przy 5000 ppm o około 0,26 procent, a przy 15 000 ppm o około 0,78 procent. Dla porównania pluma cieplna nad pracującym człowiekiem, cieplejsza od otoczenia o 15 K, jest lżejsza od powietrza o około 5,1 procent. Siła wyporu unosząca wydychany CO2 jest więc blisko dwudziestokrotnie większa niż siła, która miałaby go opuścić na posadzkę.

Wniosek praktyczny jest jednoznaczny: CO2 metaboliczny jest przenoszony wraz z ruchem powietrza i unoszony konwekcją, a nie gromadzony przy podłodze. Punkt pomiarowy montuje się w strefie oddychania, a nie nisko. Odwrotnie działa wyciek CO2 technicznego, zwłaszcza ze zbiornika ciśnieniowego lub z sublimacji suchego lodu: strumień jest skoncentrowany i zimny, jego gęstość jest wielokrotnie wyższa od gęstości otoczenia i taka chmura rzeczywiście spływa do zagłębień, kanałów i studzienek. Tam potrzebny jest osobny, nisko zamontowany punkt.

Progi porządkują się w dwie grupy. Pierwsza to wartości eksploatacyjne, które ustawia się po to, by wentylacja reagowała, zanim warunki pracy się pogorszą. Druga to wartości wynikające z przepisu o dopuszczalnych stężeniach: NDS dla dwutlenku węgla wynosi 9000 mg/m3, a NDSCh 27 000 mg/m3. Po przeliczeniu odpowiada to około 5000 ppm i około 15 000 ppm. Aktualność obu wartości sprawdź w obowiązującym akcie przed wpisaniem ich do dokumentacji.

Progi eksploatacyjne definiuje się jako nadwyżkę nad tłem zewnętrznym, ponieważ ta sama liczba bezwzględna oznacza inną jakość wentylacji przy tle 420 ppm i przy tle 520 ppm w rejonie o dużym natężeniu ruchu.

Najczęstsza pomyłka polega na ustawieniu jednego progu na poziomie NDS. Urządzenie wtedy milczy przez całą zmianę, choć warunki od dawna są poza zakresem projektowym. Odwrotny błąd to jedyny próg na 800 ppm, który w hali z wentylacją naturalną załącza alarm codziennie przed południem.

Przepis podaje wartości w mg/m3, urządzenia wskazują ppm. Przeliczenie zależy od temperatury i ciśnienia, więc próg wpisany do dokumentacji bez warunków odniesienia jest niepełny. Dla masy molowej CO2 równej 44,01 g/mol zachodzi: stężenie w mg/m3 to ppm razy 1,829 w 20 °C i ppm razy 1,800 w 25 °C.

Z tabeli wynika istotny szczegół. Wartość NDS 9000 mg/m3 odpowiada dokładnie 5000 ppm w 25 °C, ale w 20 °C to 4920 ppm, a nie 5000 ppm. Różnica wynosi 80 ppm i mieści się w granicach niepewności typowego czujnika, więc nastawa 5000 ppm jest w praktyce akceptowalna — pod warunkiem że w protokole zapisano temperaturę odniesienia. Dla progów eksploatacyjnych konwersja nie jest potrzebna, bo definiuje się je bezpośrednio w ppm.

Drugą poprawką jest ciśnienie. Czujnik podczerwieni mierzy liczbę cząsteczek w drodze optycznej, więc jego wskazanie zmienia się o około 1 procent odczytu na każde 10 hPa odchylenia od ciśnienia nastawionego fabrycznie. Zakład na wysokości 300 m nad poziomem morza pracuje przy ciśnieniu niższym o około 35 hPa, co bez kompensacji daje zaniżenie wskazania o około 3,5 procent, czyli 35 ppm przy 1000 ppm. Powyżej 300 m kompensacja albo ręczna nastawa ciśnienia lokalnego przestaje być opcją.

Histereza to różnica między stężeniem, przy którym reakcja się włącza, i stężeniem, przy którym się wyłącza. Podaje się ją w ppm, nie w procentach, bo procent bez punktu odniesienia jest źródłem sprzeczności w dokumentacji. Wartość dolna nie może być mniejsza niż dwukrotność stałego składnika niepewności czujnika, czyli przy dokładności 50 ppm plus 3 procent odczytu nie mniej niż 100 ppm.

Cały zestaw mieści się w przedziale od 10 do 15 procent wartości progu, od 100 do 500 ppm w liczbach bezwzględnych, i w każdym wierszu histereza jest większa od niepewności wskazania przy tym progu. To warunek, którego nie wolno pominąć: histereza mniejsza od niepewności powoduje, że urządzenie przełącza się na własnym szumie, a zapis w rejestrze wygląda jak seria kilkudziesięciu zdarzeń w ciągu godziny.

Opóźnienia działają w drugą stronę niż histereza. Krótkie opóźnienie włączenia przy wysokim progu jest potrzebne, bo tam liczy się szybkość reakcji. Długie opóźnienie wyłączenia zapobiega przedwczesnemu zjechaniu wentylacji z wyższego biegu, kiedy stężenie chwilowo spadło po otwarciu bramy.

Stężenie ustalone w hali wynika z bilansu: ile CO2 wydzielają ludzie i ile powietrza zewnętrznego dostarcza wentylacja. Emisja rośnie proporcjonalnie do obciążenia pracą, więc ta sama instalacja daje inne wskazanie przy pracy nadzorczej i przy pracy fizycznej.

Wymagany strumień powietrza zewnętrznego na osobę liczy się wzorem: strumień w m3/h równa się 1000 razy emisja w L/h podzielone przez dopuszczalną nadwyżkę stężenia w ppm. Nadwyżka to próg minus tło, więc przy tle 420 ppm próg 1000 ppm daje 580 ppm, próg 1400 ppm daje 980 ppm, a próg 2000 ppm daje 1580 ppm.

Tabela pokazuje, gdzie leży realne ograniczenie. Utrzymanie 1000 ppm przy pracy średnio ciężkiej wymaga 78 m3/h na osobę, czyli ponad dwukrotnie więcej niż strumień 30 m3/h na osobę przyjmowany w wielu projektach. Przy takim strumieniu i emisji 45 L/h nadwyżka wynosi 1500 ppm, a stężenie ustalone dochodzi do 1920 ppm. Progu 1000 ppm nie da się wtedy dotrzymać żadną nastawą czujnika — trzeba zmienić wydajność instalacji albo świadomie przyjąć wyższy próg roboczy i to uzasadnić.

Reguła jednego czujnika na 200-300 m2 powierzchni działa tylko przy jednej, niewypowiedzianej wysokości hali. Przy wysokości 6 m odpowiada ona 1200-1800 m3 kubatury, ale w hali wysokiej 10 m ta sama powierzchnia to już 2000-3000 m3. Liczenie na powierzchnię zaniża więc liczbę punktów w halach wysokich i zawyża w niskich, a pomija to, co decyduje o reprezentatywności odczytu: objętość powietrza, którą jeden punkt ma reprezentować, i szybkość, z jaką ta objętość się wymienia.

Praktyczna reguła operuje dwiema kubaturami. Kubatura strefy przebywania to powierzchnia razy 2 m i decyduje o liczbie punktów. Kubatura całkowita to powierzchnia razy wysokość i decyduje o stałej czasowej, czyli o tym, po jakim czasie od zmiany obsady wskazanie jest miarodajne. Stała czasowa równa się odwrotności krotności wymian, a 95 procent wartości ustalonej osiągane jest po trzech stałych czasowych.

Liczba punktów w strefie oddychania to większa z dwóch wartości: liczba stref funkcjonalnych hali oraz kubatura strefy przebywania podzielona przez limit z tabeli i zaokrąglona w górę. Do tego dochodzą punkty obowiązkowe niezależnie od wyniku: nie mniej niż dwa punkty w hali, żeby rozbieżność wskazań ujawniła awarię jednego z nich, jeden punkt odniesienia tła zewnętrznego oraz jeden punkt w kanale wywiewnym, jeśli odczyt ma sterować wydajnością wentylacji. Punkt kanałowy umieszcza się co najmniej dwie średnice hydrauliczne za ostatnim wpustem, żeby mierzył wartość wymieszaną, a nie strumień z jednej kratki.

Poniższe zestawienie to przykład rachunkowy: wartości powierzchni, wysokości, obsady i krotności wymian zostały przyjęte do obliczenia, żeby pokazać działanie reguły. Nie są danymi o żadnym istniejącym zakładzie ani o programie dofinansowania.

Hala A przekracza próg informacyjny 1000 ppm, ale dopiero po sześciu godzinach od rozpoczęcia zmiany, bo jej stała czasowa wynosi 2 h. Pomiar wykonany o dziesiątej pokaże wartość znacznie niższą od ustalonej i będzie bezużyteczny jako dowód. Doprowadzenie tej hali do 1000 ppm wymaga strumienia 1940 m3/h, czyli krotności wymian 0,61 zamiast 0,5 — różnica jest niewielka i osiągalna.

Hala B nie zbliży się do żadnego progu z CO2 metabolicznego, bo przy 72 000 m3/h nadwyżka wynosi 25 ppm. Czujniki mają tam inne zadanie: są wejściem sterowania wydajnością wentylacji i detektorem awarii instalacji. Wzrost wskazania z 445 do 900 ppm w takiej hali oznacza spadek strumienia o ponad połowę i jest sygnałem serwisowym, nie sygnałem o zagrożeniu.

Wysokość wynika z tego, co punkt ma reprezentować. Dla CO2 metabolicznego reprezentuje strefę oddychania i dlatego nie może być montowany ani przy posadzce, ani pod dachem. Górna granica dla punktu opisywanego jako pomiar strefy oddychania to 2,0 m; wyżej odczyt opisuje warstwę, w której nikt nie pracuje.

Lokalizacje wykluczone: nad drzwiami i bramami, w narożniku pomieszczenia, w martwej strefie za regałem wysokiego składowania, w kanale kablowym, na obudowie maszyny wytwarzającej ciepło oraz w strefie mycia bez odpowiedniego stopnia ochrony. Każdy z tych przypadków daje odczyt systematycznie różny od stężenia w strefie oddychania, a różnica nie jest stała, więc nie da się jej skorygować obliczeniem.

Jeżeli w zakładzie występuje źródło skoncentrowanego dwutlenku węgla, zestaw punktów w strefie oddychania nie wystarcza. Dla wycieku obowiązują inne wysokości, inne progi i inny czas reakcji, bo scenariusz nie jest wolnym narastaniem przez zmianę, lecz szybkim wypełnieniem przestrzeni zamkniętej.

CO2 to nie CO — częsty błąd w opisie zamówienia

Dwa gazy mają zbliżone nazwy i całkowicie różne progi. NDS dla tlenku węgla wynosi 23 mg/m3, czyli około 20 ppm, a NDSCh 117 mg/m3, czyli około 100 ppm. Wartości dla dwutlenku węgla są od nich wyższe około 250-krotnie. Czujnik CO2 z zakresem 0-5000 ppm i rozdzielczością 1 ppm nie zastąpi detektora CO, bo cały zakres zagrożenia tlenkiem węgla mieści się w pierwszym procencie jego skali i w granicach jego niepewności. Pełne kryteria przypisania urządzenia do czynnika opisuje poradnik nadrzędny o detekcji gazów.

Poniższe wartości nadają się do wpisania w specyfikację jako wymagania minimalne. Zakres pomiarowy jest jedynym parametrem, który różnicuje się według przeznaczenia punktu: monitorowanie strefy oddychania nie potrzebuje skali sięgającej NDSCh, a sygnalizacja wycieku bez niej nie ma sensu.

Czujniki CO2 mają mechanizm, którego nie mają detektory innych gazów: automatyczną korektę linii bazowej. Urządzenie zapamiętuje najniższe wskazanie z okna czasowego trwającego zwykle od 7 do 21 dni i przyjmuje, że odpowiada ono stężeniu tła zewnętrznego, po czym przesuwa całą charakterystykę. Założenie jest słuszne tylko wtedy, gdy w każdym oknie występuje okres bez obsady, w którym hala rzeczywiście przewietrza się do tła.

Konsekwencja jest podstępna, bo urządzenie nie zgłasza błędu. W zakładzie pracującym w ruchu ciągłym minimalne stężenie dobowe wynosi na przykład 700 ppm, korekta przyjmuje tę wartość za tło 420 ppm i od tej chwili odejmuje 280 ppm od każdego odczytu. Rzeczywiste 1400 ppm zostaje pokazane jako 1120 ppm, próg ostrzegawczy nie zadziała, a rejestr będzie wyglądał poprawnie. Dlatego stan tej funkcji należy wymagać w opisie zamówienia, zapisać w protokole nastaw i sprawdzić po każdej wymianie urządzenia. Zasady wzorcowania i oceny wiarygodności danych pomiarowych pozostają w poradniku nadrzędnym.

Odczyt bez zapisanych warunków nie jest danymi. Dwie tabele poniżej definiują minimum: warunki, w jakich pomiar wykonujesz, oraz wartości, przy których instalację można uznać za odebraną.

Test stabilności w pasie histerezy jest najczęściej pomijany i najlepiej wykrywa błędy nastaw. Jeżeli przy stężeniu utrzymanym w okolicy 950 ppm sterowanie przełącza bieg wentylatora kilka razy, histereza albo opóźnienie są za małe i cała instalacja będzie generowała fałszywy obraz zdarzeń w rejestrze.

Dofinansowaniu podlegają wyłącznie działania wskazane w Katalogu działań, więc zakres trzeba przypisać do konkretnego punktu, a nie do ogólnej poprawy warunków pracy. Katalog wymienia w pkt 23 ręczne detektory gazów toksycznych oraz przemysłowe systemy detekcji toksycznych lub wybuchowych gazów, a w pkt 2 urządzenia i elementy sygnalizacji, ostrzegania i informowania pracowników o zagrożeniach. W pkt 2 nie podlegają dofinansowaniu przyrządy do pomiaru wielkości elektrycznych i nieelektrycznych ani osprzęt montażowy, w tym przewody, więc czujnik wyłącznie pomiarowy i okablowanie nie mieszczą się w tym punkcie. Koszty instalacyjne i montażowe podlegają dofinansowaniu. Kwota dofinansowania sięga 80 procent szacowanej wartości projektu, przy czym dofinansowanie nie może być niższe niż 15 000 zł, a dla działań inwestycyjnych nie wyższe niż 345 000 zł. Projekt inwestycyjno-doradczy ma limit 350 000 zł, w tym maksymalnie 5000 zł na doradztwo. Regulamin uwzględnia także ograniczenia kwotowe przypisane wybranym punktom Katalogu: dla pkt 23 jest to 80 000 zł, a dla pkt 2 — 30 000 zł, więc limit punktu może ograniczyć kwotę wcześniej niż limit ogólny. Decyzję o dofinansowaniu podejmuje ZUS.

Przykład rachunkowy pierwszy, wartości przyjęte do obliczenia: szacowana wartość projektu obejmująca zakup i montaż 60 000 zł, dofinansowanie 80 procent, czyli 48 000 zł, wkład własny 12 000 zł.

Przykład rachunkowy drugi, dotyczący progu minimalnego: szacowana wartość projektu 18 000 zł daje 80 procent, czyli 14 400 zł, a to poniżej minimum 15 000 zł. Żeby dofinansowanie osiągnęło dolny próg, szacowana wartość projektu musi wynieść co najmniej 18 750 zł, bo 18 750 razy 80 procent to dokładnie 15 000 zł. Wynika z tego praktyczna wskazówka: sam monitoring CO2 rzadko wypełnia dolny próg samodzielnie i zwykle wchodzi do projektu razem z modernizacją wentylacji albo z innymi elementami sygnalizacji zagrożeń.

Przykład rachunkowy trzeci, dotyczący górnego limitu: dofinansowanie 345 000 zł odpowiada szacowanej wartości projektu 431 250 zł, ponieważ 345 000 podzielone przez 0,8 daje 431 250. Wydatek powyżej tej kwoty nie zwiększa już dofinansowania.

Dwie sprawy budżetowe wymagają pilnowania. Szkolenia w ogóle nie podlegają dofinansowaniu, więc kosztu instruktażu obsługi systemu nie umieszczaj w budżecie projektu — ani w części inwestycyjnej, ani w doradczej. Nie podlegają dofinansowaniu również czynności związane z dostawą, uruchomieniem, rozruchem, dopuszczeniem do użytkowania i serwisowaniem, a przeglądy okresowe i abonament na dostęp do danych planuj jako koszty eksploatacyjne poza projektem. Zakres dofinansowania systemów ostrzegania opisuje strona usługi pod adresem /dotacja-zus-na-sygnalizacje-zagrozen/.

Poniższa lista zawiera wyłącznie błędy dotyczące liczb i lokalizacji, każdy z wartością, którą należy w to miejsce wpisać.

• Jeden próg ustawiony na NDS. Urządzenie milczy przez zmianę. Potrzebne są co najmniej trzy progi: 1000, 1400 i 2000 ppm, a wartość odpowiadająca NDS jako czwarty.
• Próg podany bez tła. 1000 ppm oznacza inną jakość wentylacji przy tle 420 ppm i przy 520 ppm. Zapisuj nadwyżkę i mierz tło równocześnie.
• Liczba punktów policzona z powierzchni posadzki. Reguła 200-300 m2 odpowiada 1200-1800 m3 przy wysokości 6 m i rozjeżdża się w halach wysokich. Licz kubaturę strefy przebywania równą powierzchni razy 2 m.
• Pominięcie krotności wymian w liczbie punktów. Przy krotności do 1,0 limit wynosi 500 m3 na punkt, powyżej 4,0 aż 1600 m3. Ta sama hala potrzebuje trzy razy więcej punktów przy wentylacji grawitacyjnej.
• Montaż wysoko, bo CO2 jest cięższy od powietrza. Przy 5000 ppm mieszanina jest cięższa o 0,26 procent, a wypór plumy cieplnej człowieka jest blisko dwudziestokrotnie silniejszy. Punkt na 1,5-1,8 m.
• Czujnik w strumieniu nawiewu albo 2 m od bramy. Odczyt zbiega do tła zewnętrznego. Minimum 2 m od nawiewnika i 5 m od bramy oraz tras wózków spalinowych.
• Histereza w procentach bez punktu odniesienia. Stąd biorą się sprzeczne zapisy w dokumentacji. Podawaj wartość w ppm: 100, 200, 300 i 500 ppm dla czterech progów, co odpowiada 10-15 procentom.
• Histereza mniejsza od niepewności. Przy dokładności 50 ppm plus 3 procent odczytu niepewność przy 1000 ppm wynosi 80 ppm, więc histereza poniżej 100 ppm powoduje przełączanie na szumie.
• Automatyczna korekta linii bazowej włączona w ruchu ciągłym. Wskazania zostają zaniżone o różnicę między tłem a minimum dobowym, bez żadnego komunikatu o błędzie.
• Zakres 0-2000 ppm w strefie z CO2 technicznym. Skala nie obejmuje NDS ani NDSCh. Wymagaj 0-5000 ppm w strefie oddychania i 0-20 000 ppm tam, gdzie możliwy jest wyciek.
• Brak punktów niskich przy źródle technicznym. Fermentacja, butle i suchy lód wypełniają zagłębienia. Dołóż punkty na 0,3-0,5 m nad posadzką i w studzienkach.
• Odczyt wykonany na początku zmiany. Przy krotności 0,5 wartość ustalona pojawia się po 6 h. Pomiar miarodajny nie wcześniej niż po trzech stałych czasowych.