Chất lượng không khí trong nhà ngày càng được chú trọng trong thiết kế và vận hành các tòa nhà thương mại, văn phòng, bệnh viện và trung tâm mua sắm. Trong số nhiều thông số cần giám sát, nồng độ khí ozone (O3) là một trong những yếu tố dễ bị bỏ qua nhất nhưng lại tiềm ẩn rủi ro nghiêm trọng nếu không được kiểm soát đúng cách.

Bài viết này phân tích chuyên sâu vai trò của cảm biến O3 trong hệ thống HVAC: từ lý do cần thiết phải giám sát, cách thức tích hợp, vị trí lắp đặt cho đến cách kết nối với hệ thống điều khiển tự động

TẠI SAO HỆ THỐNG HVAC CẦN CẢM BIẾN KHÍ O3 ?

Nhiều người thường chỉ nghĩ đến CO2, PM2.5 hay VOC khi nói đến chất lượng không khí trong nhà. Tuy nhiên, khí O3 lại là một mối nguy luôn thường trực trong chính hệ thống HVAC. Sự rò rỉ khí O3 có thể đến từ hai nguyên nhân:

Phát sinh từ bên trong: Các thiết bị điện áp cao vận hành bên trong hoặc liên quan đến hệ thống HVAC như máy lọc không khí ion hóa, đèn UV khử trùng ống dẫn gió, máy photocopy, màn hình điện tử và các thiết bị điện tử khác đều có khả năng tạo ra O3 trong quá trình hoạt động. Nhiều hệ thống HVAC hiện đại còn chủ động tích hợp máy phát ozone để khử trùng và kiểm soát mùi trong ống dẫn khí.

Xâm nhập từ bên ngoài: Không khí ngoài trời đưa vào tòa nhà qua hệ thống cấp gió tươi mang theo lượng O3 từ môi trường, đặc biệt vào những ngày nắng nóng, ô nhiễm cao hoặc ở các khu vực gần trục đường lớn và khu công nghiệp.

Khi O3 được bơm vào hệ thống ống dẫn khí HVAC để xử lý không khí ô nhiễm, việc giám sát nồng độ là bắt buộc nhằm đảm bảo không khí tuần hoàn trở lại không gian có người ở luôn ở mức an toàn. Vì vậy, cảm biến khí O3 là điều cần thiết để đảm bảo an toàn sức khoẻ của con người, ngăn chặn các nguy cơ rỏ rỉ, tích tụ nhiều. 

Xem thêm: Cảm biến khí NH3 trong chăn nuôi

NGƯỠNG NỒNG ĐỘ O3 AN TOÀN TRONG KHÔNG GIAN KÍN

Để lập trình ngưỡng cảnh báo và điều khiển cho hệ thống HVAC, người thiết kế và vận hành cần nắm rõ các tiêu chuẩn an toàn hiện hành:

Đây là cơ sở để lập trình các mức cảnh báo trong hệ thống BMS/SCADA tích hợp với cảm biến O3.

CẢM BIẾN O3 HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO TRONG HỆ THỐNG HVAC?

Cảm biến O3 trong HVAC thường vận hành theo quy trình sau: 

Bước 1 - Thu thập dữ liệu liên tục: Cảm biến O3 lắp đặt tại các vị trí chiến lược trong hệ thống ống gió và không gian sử dụng thực hiện đo lường nồng độ O3 theo thời gian thực, liên tục 24/7.

Bước 2 - Truyền tín hiệu: Sau khi thu thập được dữ liệu, tín hiệu từ cảm biến (thường là 4-20 mA, 0-10 V hoặc RS-485 Modbus RTU) được truyền về hệ thống điều khiển trung tâm hoặc bộ điều khiển HVAC.

Bước 3 - So sánh với ngưỡng cài đặt: Bộ điều khiển liên tục so sánh giá trị đo được với các ngưỡng đã lập trình: ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng hành động và ngưỡng nguy hiểm.

Bước 4 - Kích hoạt hành động tự động:

• Nồng độ O3 tiếp cận ngưỡng → Tăng lưu lượng gió tươi, giảm công suất máy phát ozone.

• Nồng độ O3 vượt ngưỡng → Tắt máy phát ozone, kích hoạt cảnh báo âm thanh/đèn, thông báo đến hệ thống quản lý tòa nhà.

• Nồng độ O3 trở về mức an toàn → Hệ thống tự động phục hồi trạng thái vận hành bình thường.

Nhờ ưu điểm khử trùng hiệu quả và không để lại tồn dư ô nhiễm, các thiết bị phát ozone đã dần được tích hợp vào đời sống và môi trường công nghiệp. Tuy nhiên, việc kiểm soát nồng độ ozone trong hệ thống là yếu tố cực kỳ quan trọng. 

Xem thêm: Cảm biến đo nồng độ khí O2

VỊ TRÍ LẮP ĐẶT CẢM BIẾN O3 TRONG HỆ THỐNG HVAC

Đây là yếu tố kỹ thuật quan trọng nhất quyết định chất lượng dữ liệu đo lường. Lắp sai vị trí, dù cảm biến tốt đến đâu cũng cho kết quả không đại diện.

1. Các vị trí lắp đặt tiêu chuẩn

• Trên đường ống gió hồi

Đây là vị trí quan trọng nhất. Không khí từ toàn bộ không gian sử dụng được thu gom và trả về AHU (Air Handling Unit) qua đường gió hồi-đây là điểm đại diện nhất cho chất lượng không khí thực tế trong tòa nhà. Lắp cảm biến O3 tại đây giúp phát hiện kịp thời nồng độ O3 tích lũy trong không gian có người ở trước khi không khí được xử lý và tuần hoàn lại.

• Trên đường ống gió cấp 

Lắp cảm biến tại đầu ra của AHU/FCU để kiểm soát nồng độ O3 trong không khí đã qua xử lý trước khi được cấp vào không gian sử dụng. Đặc biệt quan trọng trong các hệ thống có tích hợp máy phát ozone hoặc đèn UV ở khoang xử lý không khí.

• Tại không gian sử dụng 

Cảm biến O3 gắn tường lắp đặt trong các khu vực có nguy cơ tích tụ O3 cao như phòng máy photocopy, phòng máy chủ, khu vực thiết bị điện cao áp, phòng họp kín hoặc bất kỳ không gian nào thường xuyên có người ở.

• Tại điểm cấp gió tươi 

Giám sát nồng độ O3 của không khí ngoài trời đưa vào hệ thống, phục vụ chiến lược điều chỉnh lưu lượng gió tươi thông minh dựa trên chất lượng không khí ngoài trời theo thời gian thực.

2. Nguyên tắc lắp đặt cảm biến trong ống gió

Một lỗi phổ biến là lắp cảm biến vào vị trí nơi luồng khí chính không đi qua cảm biến, khiến dữ liệu đo hoàn toàn không đại diện cho điều kiện thực tế trong ống gió. Cảm biến phải được lắp đặt trực tiếp trong luồng khí chính.

Cảm biến trong ống gió cần được lắp theo phương nằm ngang ở góc 90 độ hoặc hơi nghiêng lên để nước ngưng tụ không chảy ngược vào đầu đo và làm hỏng thiết bị.

Ngoài ra, cần lưu ý:

• Lắp cảm biến cách xa nguồn phát O3 (máy phát ozone, đèn UV) ít nhất 1,5 - 2 mét để đo được nồng độ sau khi khí đã hòa trộn đều trong ống dẫn.

• Đảm bảo vị trí lắp đặt có thể tiếp cận dễ dàng cho công tác bảo trì, hiệu chỉnh định kỳ.

• Đối với cảm biến gắn tường trong không gian sử dụng: lắp ở độ cao 1,2 - 1,5 mét so với sàn, tương ứng với vùng hô hấp của người.

Cảm biến đo chất lượng không khí trong nhà nên được đặt gần vùng hô hấp thông thường (0,9 - 1,8 mét), tránh xa các nguồn phát ô nhiễm cục bộ và các điểm hút không khí như máy lọc không khí, để đảm bảo phép đo đại diện cho điều kiện không khí thực tế của không gian.

Xem thêm: Cảm biến khí CH4 (METAN/METHANE)

TÍCH HỢP CẢM BIẾN O3 VÀO HỆ THỐNG BMS/SCADA

Trong các dự án tòa nhà thông minh và hệ thống HVAC hiện đại, cảm biến O3 không hoạt động độc lập mà là một node trong mạng lưới giám sát IAQ tích hợp.

Giao thức kết nối phổ biến:

• 4-20 mA / 0-10 V: Giao thức analog truyền thống, đơn giản, độ tin cậy cao, phù hợp với các hệ thống BMS đã lắp đặt sẵn;

• RS485 / Modbus RTU: Cho phép kết nối nhiều cảm biến trên cùng một đường bus, tiết kiệm chi phí đi dây, truyền thêm thông tin diagnostic của thiết bị.

Chiến lược điều khiển thông minh dựa trên dữ liệu O3

Trong các hệ thống IAQ thông minh, cảm biến O3 cùng với CO2, VOC, PM2.5 và nhiệt độ/độ ẩm tạo thành nền tảng dữ liệu cho hệ thống điều khiển HVAC tự động, giúp tối ưu đồng thời cả chất lượng không khí, tiêu thụ năng lượng và điều kiện vi khí hậu trong tòa nhà.

Ví dụ thực tế về logic điều khiển:

• Kiểm soát thông gió theo nhu cầu (DCV) nâng cao: Kết hợp tín hiệu từ cảm biến O3 và CO2 để điều chỉnh lưu lượng gió tươi tối ưu - tăng gió tươi khi O3 nội thất cao hơn O3 ngoài trời, giảm gió tươi khi O3 ngoài trời cao hơn nội thất.

• Điều khiển máy phát ozone khép kín: BMS tự động tăng/giảm/tắt công suất máy phát ozone dựa trên phản hồi liên tục từ cảm biến, duy trì nồng độ trong dải tối ưu 0,02 - 0,05 ppm.

• Tích hợp cảnh báo đa cấp: Cấu hình ba mức ngưỡng - Cảnh báo sớm, Cảnh báo hành động và nguy hiểm - với các phản hồi tự động và thông báo khác nhau.

TIÊU CHÍ LỰA CHỌN CẢM BIẾN O3 CHO HỆ THỐNG HVAC

Không phải cảm biến O3 nào cũng phù hợp với môi trường HVAC. Dưới đây là các tiêu chí cần ưu tiên:

• Công nghệ đo: Với ứng dụng HVAC dân dụng và thương mại, cảm biến điện hóa là lựa chọn tối ưu - cân bằng tốt giữa độ chính xác, dải đo phù hợp (0-1 ppm hoặc 0-2 ppm) và chi phí. Các dự án đòi hỏi độ chính xác cực cao (phòng sạch, bệnh viện nghiên cứu) có thể xem xét công nghệ UV.

• Dải đo: Phù hợp với ứng dụng: 0-1 ppm cho giám sát IAQ thông thường; 0-5 ppm hoặc 0-10 ppm nếu hệ thống có máy phát ozone công suất lớn.

• Tín hiệu ngõ ra: Ưu tiên RS-485 Modbus RTU hoặc BACnet cho dự án mới. 4-20 mA nếu tích hợp vào BMS analog sẵn có.

• Khả năng bù nhiệt độ và độ ẩm: Bắt buộc đối với cảm biến lắp trong ống gió, môi trường có thể dao động về nhiệt độ và độ ẩm đáng kể.

• Chứng nhận và tiêu chuẩn: Ưu tiên thiết bị đạt chứng nhận CE, đáp ứng UL 2075 hoặc tương đương, có CO/CQ đầy đủ.

• Chu kỳ hiệu chỉnh và chi phí vận hành: Cảm biến điện hóa thường cần hiệu chỉnh mỗi 6-12 tháng và thay thế module cảm nhận sau 1-3 năm tùy điều kiện vận hành. 

Các lỗi phổ biến cần tránh khi lắp đặt cảm biến khí O3

• Chỉ lắp cảm biến O3 tại một điểm duy nhất trong hệ thống lớn: O3 phân bố không đều trong không gian và hệ thống ống gió, cần đủ điểm đo để có bức tranh đầy đủ.

• Không hiệu chỉnh định kỳ: Cảm biến điện hóa bị trôi tín hiệu theo thời gian, dẫn đến đọc sai nồng độ thực tế mà không có dấu hiệu rõ ràng.

• Lắp đặt quá gần nguồn phát O3: Gây nồng độ cục bộ cao bất thường, không đại diện cho nồng độ thực tế trong không gian sử dụng.

• Không tích hợp với hệ thống điều khiển: Cảm biến chỉ hiển thị số liệu nhưng không có cơ chế phản hồi tự động - bỏ lỡ toàn bộ giá trị của việc giám sát liên tục.

• Bỏ qua ảnh hưởng của khí gây nhiễu: Một số cảm biến bán dẫn giá rẻ bị ảnh hưởng bởi ClO2, NO2 hoặc các VOC nồng độ cao - dẫn đến đọc sai nồng độ O3.

Xem thêm: Cảm biến khí H2S (HYDRO SUNFUA)

Khi được lắp đặt đúng vị trí, kết nối đúng giao thức và tích hợp vào logic điều khiển phù hợp, cảm biến O3 trở thành công cụ giúp tòa nhà vận hành an toàn hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và nâng cao trải nghiệm sức khỏe cho người sử dụng.