Wentylacja na żądanie sterowana stężeniem CO2 w pomieszczeniach

Efektywna i ekonomiczna praca instalacji wentylacji i klimatyzacji jest możliwa, jeśli strumień powietrza będzie nawiewany tylko wtedy, gdy rzeczywiście występuje na niego zapotrzebowanie. Takie podejście uwzględnia zarówno komfort użytkowników, konieczność usunięcia zanieczyszczeń z pomieszczenia, jak i mniejsze zużycie energii.

Ciągła praca instalacji ze stałym strumieniem powietrza może w niektórych przypadkach generować zbędne koszty. W budynkach, w których użytkowanie poszczególnych pomieszczeń jest zróżnicowane, np. sal konferencyjnych, wykładowych czy seminaryjnych, zyski ciepła i wilgoci od ludzi mogą się zmieniać w ciągu doby.

Żeby poradzić sobie z dynamicznymi warunkami panującymi w pomieszczeniach, instalacja powinna mieć możliwość pracy ze zmiennym strumieniem powietrza, a dodatkowo wspierać ją powinny odpowiednie czujniki. Rozwiązanie, które daje taką możliwość, to system DCV (Demand Control Ventilation), czyli wentylacja na żądanie.

Działanie instalacji jest ściśle związane z układem automatyki w postaci czujników oraz przetworników, który za pomocą sygnałów kieruje pracą poszczególnych komponentów centrali wentylacyjnej.

W przypadku wentylacji na żądanie nawiewany do pomieszczeń strumień powietrza zależy przede wszystkim od liczby osób w nich się znajdujących. Stosuje się głównie czujniki stężenia CO2 i obecności lub korzysta z systemu zliczającego osoby wchodzące do danej strefy w budynku na podstawie ich kart magnetycznych.

Kiedy stosować DCV?

System wentylacji na żądanie jest przeznaczony przede wszystkim dla budynków z pomieszczeniami, w których występują zmiennie zyski ciepła od ludzi. Przykładami mogą być praktycznie wszystkie rodzaje budynków użyteczności publicznej, czyli szkoły, teatry, kina, kościoły, restauracje, hotele, sklepy, galerie handlowe, szatnie itd.

Taki rodzaj wentylacji można, a nawet powinno się stosować wszędzie tam, gdzie CO₂ jest dominującym zanieczyszczeniem, dotyczy to również pojedynczych pomieszczeń. To przede wszystkim zmienne okresy, w których rozpatrywana przestrzeń jest użytkowana, wpływają na zasadność stosowania DCV.

Zasady projektowania

Podstawowym elementem, który projektant powinien uwzględnić, jest określenie, jaki charakter ma dany budynek oraz w których pomieszczeniach będą występować zmienne zyski ciepła od ludzi. Należy wziąć pod uwagę rodzaj pracy, jaką będą wykonywać użytkownicy, oraz potencjalne dodatkowe źródła zysków ciepła w pomieszczeniu.

Kolejnym krokiem jest określenie liczby osób, które będą użytkować daną przestrzeń, obliczenie wszystkich zysków ciepła, a następnie przyjęcie strumienia powietrza. Można to uczynić w oparciu o normę PN-EN 15251 [1] lub PN-83/B-03430/Az3:2000 [3], w której podano minimalną ilość powietrza konieczną ze względów higienicznych.

Wielkość strumienia powinna być obliczona zarówno jako wartość minimalna, gdy nikogo nie ma w pomieszczeniu i wentylacja służy jedynie usunięciu zanieczyszczeń lub zysków ciepła niepochodzących od ludzi, jak i maksymalna dla sytuacji, gdy do pomieszczenia wejdzie tyle osób, ile to możliwe ze względu na jego przeznaczenie.

Standardowo, tak jak przy wentylacji ze stałym strumieniem, należy dobrać nawiewniki oraz elementy wywiewne i rozmieścić je prawidłowo w pomieszczeniu.

Sterowanie przy wsparciu czujnikiem CO₂

W przypadku wentylacji na żądanie projektant powinien wybrać odpowiednie miejsce na montaż czujnika. Źle ulokowany może wpływać na nieefektywną pracę wentylacji, co natychmiast odczują użytkownicy.

Dla instalacji DCV dobrym rozwiązaniem są czujniki CO₂, które najwierniej odtwarzają rzeczywiste zapotrzebowanie na świeże powietrze w pomieszczeniu w danej chwili. Należy je montować w miejscach możliwie rzetelnie oddających rzeczywisty stan stężenia tego gazu. Nie zaleca się umieszczania ich w kątach, przy podłodze, pod oknem czy w miejscach, gdzie mogą być wyczuwalne przeciągi.

Nie można też dopuścić do sytuacji, że czujnik jest zasłonięty przez meble lub urządzenia. Niektóre sensory są przystosowane do montażu w kanałach wywiewnych, jednak wyższą efektywność działania instalacji można osiągnąć poprzez montaż naścienny, na wysokości ok. 1,5–2 m nad poziomem podłogi.

Stężenie dwutlenku węgla w pomieszczeniu wydaje się być najlepszym wskaźnikiem decydującym o intensywności wentylacji. Norma ASHRAE [4] określa kategorie budynków według ilości CO2 w pomieszczeniach. W powietrzu zewnętrznym stężenie tego gazu to ok. 400 ppm, a wewnątrz budynków może ono wynosić średnio 500–2000 ppm.

W tabeli 1 przedstawiono podział pomieszczeń ze względu na jakość środowiska wewnętrznego. Zalecana przez ASHRAE maksymalna wartość stężenia CO2 w budynkach to 1000 ppm, powyżej tej wartości jakość powietrza wewnętrznego jest obniżona i może powodować zmniejszenie efektywności pracy użytkowników pomieszczeń.

Największym wyzwaniem dla projektanta jest dobór odpowiednich czujników oraz zadanie odpowiednich parametrów systemowi.

Czujnik poprzez wyjście analogowe może zostać podłączony do wentylatora, który w momencie podwyższonego stężenia zostanie załączony, a gdy osiągana jest zadana wartość, jest wyłączany.

Rozwiązanie to sprawdza się w przypadku pomieszczeń, w których nagle pojawia się duża liczba osób, np. sal lekcyjnych, wykładowych lub konferencyjnych.

Bardziej efektywna praca systemu jest możliwa przy zastosowaniu kilkubiegowego wentylatora lub z płynną regulacją obrotów (silnik EC), wtedy sterowanie wydajnością powietrza może być realizowane stopniowo.

Projektant może również przyjąć zakresy stężeń CO₂ w pomieszczeniu, dla których nawiewany strumień będzie stanowił określony procent wartości maksymalnej. W zależności od tego, jaka jakość środowiska wewnętrznego ma być osiągnięta, przykładowe progi stężenia mogą być następujące:

• 600 ppm i poniżej: strumień powietrza nawiewanego ma określoną wcześniej wartość minimalną, jedynie na potrzeby usunięcia niewielkich zysków ciepła oraz zanieczyszczeń można przyjąć, że jest to ok. 15–20% wartości maksymalnej strumienia,
• 800 ppm – wentylator powinien zostać załączony na wyższy bieg, zapewniając ok. 50% maksymalnego strumienia powietrza,
• 1000 ppm – praca instalacji z wydajnością 80% wartości maksymalnej,
• 1500 ppm – wentylator działa z maksymalną wydajnością powietrza.

Innym rozwiązaniem jest sterowanie za pomocą sygnału w postaci napięcia, którego wartość będzie proporcjonalna do aktualnego stężenia CO₂. Pozwala to osiągnąć płynniejszą regulację, reagującą na każdą zmianę stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniu.

Rozwiązanie jest zalecane dla budynków, w których zmienność przebywania osób wewnątrz pomieszczeń ma charakter znacznie bardziej losowy i przypadkowy – przykładem mogą być restauracje, sklepy, galerie handlowe czy kina.

Bardziej wyrafinowaną technologią jest wykorzystanie procedury PID (algorytm proporcjonalno-całkujący), która pozwala na ciągłe i dynamiczne sterowanie wentylacją w pomieszczeniu.

Czujnik na podstawie stężenia CO2 wysyła sygnał w postaci napięcia odbierany przez moduł sterujący, który z kolei generuje wartość zadaną dla wentylatora. Pomiar odbywa się z odpowiednim krokiem czasowym, za każdym razem ustalana jest nowa wartość zadana wydajności powietrza dla układu.

W nowoczesnych budynkach urządzenia instalacji wentylacji i klimatyzacji wyposażone są głównie w algorytmy sterowania PID, ponieważ szybko reagują na każdą zmianę warunków mikroklimatu wewnętrznego. W tym układzie mogą działać nie tylko czujniki CO₂, ale również temperatury lub wilgotności.

Odpowiedni system, który będzie dopasowany do potrzeb danego obiektu, może się okazać korzystną inwestycją. Prawidłowo działająca instalacja wentylacji i klimatyzacji pozwala użytkownikom osiągnąć komfort, a właścicielom budynku oszczędność rachunków za energię.

Sterowanie instalacją według faktycznego zapotrzebowania na świeże powietrze wymaga wprawdzie montażu dodatkowych elementów, z którymi wiążą się pewne nakłady inwestycyjne, ale ich zastosowanie pozwala zmniejszyć koszty eksploatacji.

Zaletą tych systemów jest odnoszenie się do rzeczywistego zapotrzebowania w danej chwili, a nie do założonych parametrów, które mogą nie mieć wiele wspólnego ze stanem faktycznym w obiekcie.

Literatura

1. PN-EN 15251 Parametry projektowe dla środowiska wewnętrznego i ich wpływ na charakterystykę energetyczną budynku w zakresie jakości powietrza, komfortu termicznego, oświetlenia i akustyki.
2. PN-EN 13779 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
3. PN-83/B-03430/Az3:2000 Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej. Wymagania.
4. ASHRAE Standard 62-2001 Ventilation for Acceptable for Indoor Air Quality.
5. Materiały firmy Gazex.