Регулирование расхода приточного воздуха по концентрации СО₂

Минимальный расход наружного воздуха для систем, обслуживающих несколько помещений

D. Warden, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), глава компании «Warden Engineering», Канада

Вентиляция, зависящая от потребления и основанная на регистрации увеличения концентрации СО₂, может решить эти проблемы, но эту технологию трудно применить к системам, обслуживающим несколько помещений. При регулировании расхода приточного воздуха по содержанию СО₂ эффективным оказалось применение технологии контроля СО₂ к рециркуляционным системам. Такая стратегия является недорогой, она экономит потребление энергии и помогает обеспечивать хорошее качество внутреннего воздуха.

Описание метода регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂

Данный метод представляет собой технику измерения доли наружного воздуха в составе приточного воздуха и регулирования расхода наружного воздуха таким образом, чтобы в приточном воздухе всегда содержалось количество наружного воздуха, необходимое для вентиляции обслуживаемого системой помещения. Эта техника применима для рециркуляционных систем, которые обслуживают несколько помещений и в основу параметров вентиляции которых положен расход наружного воздуха на одного человека.

На рисунке 1 показано применение данного метода в типичной системе вентиляции с переменным расходом воздуха.

При помощи единственного датчика содержания СО₂ поочередно замеряется концентрация СО₂ в канале приточного воздуха и в наружном воздухе. Клапан меняет соотношение наружного и рециркуляционного воздуха в приточном, а вентилятор «протягивает» воздух через датчик.

Подача наружного воздуха контролируется таким образом, чтобы превышение концентрации в приточном воздухе относительно наружного воздуха не была больше значения, соответствующего минимальной доле наружного воздуха в приточном.

Конференц-залы

Для полностью заполненных конференц-залов необходим более высокий минимальный расход воздуха на единицу площади, чем для офисных помещений. Такой расход обычно больше, чем необходимо для охлаждения, и если нет подогрева воздуха, помещение переохлаждается. Повышение расхода наружного воздуха для всей системы увеличивает долю наружного воздуха в приточном, благодаря чему уменьшается минимальный расход приточного воздуха для конференц-залов, экономятся расходы на подогрев, но увеличиваются начальные затраты и потребление энергии, необходимой для кондиционирования наружного воздуха.

Более эффективный подход предполагает добавление рециркуляции неиспользованного наружного воздуха из помещений, в которых наблюдается излишек наружного воздуха.

Экономить энергию позволяют следующие дополнительные меры:

1. Наличие кнопки, при помощи которой люди в помещении могут изменять расход приточного воздуха или активировать вентилятор переноса воздуха.

2. Уменьшение минимального расхода приточного воздуха для вентиляции конференц-зала при повышении доли наружного воздуха в приточном (например, из-за эффекта экономайзера для наружного воздуха). Такое решение хорошо сочетается с применением системы, основанной на измерении концентрации СО₂.

3. Регистрация концентрации СО₂ в помещении для установки минимального расхода приточного воздуха на основании интенсивности потребления (очень полезна в больших конференц-залах со значительными вариациями количества людей).

Подача наружного воздуха в несколько помещений — рециркуляционные системы

Поскольку приточный воздух должен содержать достаточную долю наружного воздуха для обслуживания помещения с наибольшей потребностью, большинство других помещений получают избыточное количество наружного воздуха, т. к. им нужно больше приточного воздуха для регулирования температуры, чем для обеспечения вентиляционного воздуха, а также потому, что количество людей в помещениях различается. Этот излишек «неиспользуемого» наружного воздуха при рециркуляции часто вносит больший вклад в вентиляцию, чем воздух «первого прохода», подаваемый непосредственно от воздухозаборного канала наружного воздуха (на рис. 1 — в два раза больше).

Рисунок 1. (подробнее) Система регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО2 при максимальном количестве людей в помещении

Содержание СО₂ в приточном воздухе при изменении количества людей в здании

Когда общее количество людей, находящихся в здании, меняется, изменяются также такие показатели, как содержание неиспользованного наружного воздуха и концентрация СО₂ в рециркуляционном воздухе. Датчик СО₂ регистрирует влияние, которое оказывают эти изменения на приточный воздух, если только нет необходимости в дополнительном наружном воздухе для кондиционирования или естественного охлаждения. Описываемая система подстраивает подачу наружного воздуха для обеспечения расчетной минимальной доли наружного воздуха в приточном. При сохранении расхода воздуха в обслуживающей системе концентрация загрязняющих веществ, непосредственно выделяемых находящимися в здании людьми, и концентрация СО₂ изменяются сходным образом, так что, даже при изменяющихся условиях, концентрация СО₂ является индикатором содержания наружного воздуха в вентиляционном воздухе.

На рисунке 2 показано уменьшение подачи наружного воздуха для предыдущего примера при заполнении людьми здания на 25 % от максимального, предполагается неизменность общего расхода приточного воздуха. Система продолжает обеспечивать достаточное количество наружного воздуха для любого полностью заполненного помещения, но доля наружного воздуха падает до 5 %. Аналогично, если количество находящихся в здании людей превысит расчетное значение, концентрация СО₂ повысится, датчик зафиксирует это изменение и система увеличит подачу наружного воздуха для коррекции изменения концентрации СО₂ и содержания наружного воздуха в приточном.

Источники наружного воздуха

Наружный воздух часто входит через окна и двери, переносится из смежных систем при избыточной вентиляции или проникает при утечках из каналов приточного воздуха в систему рециркуляционного воздуха. При рециркуляции такого воздуха система обнаруживает падение концентрации СО₂ в приточном воздухе и, соответственно, уменьшает минимальное количество наружного воздуха.

Аналогично, если происходит задувание вытяжного воздуха на воздухозаборную решетку, система обнаруживает увеличение концентрации СО₂ в приточном воздухе и увеличивает, при необходимости, расход наружного.

Системы с переменным расходом воздуха и зональное регулирование расхода воздуха

При уменьшении в системе общего расхода приточного воздуха (например, из-за перегрузки фильтров или устройств системы с переменным расходом воздуха) в рециркуляционном воздухе содержится меньшее количество неиспользованного наружного воздуха, и описываемая система регулирует подачу наружного воздуха для поддержания необходимой его доли в приточном воздухе. (Доля наружного воздуха растет, но расход забираемого наружного воздуха слегка падает, т. к. вытяжной воздух содержит меньшее количество наружного воздуха и меньшее его количество выводится из здания, прежде чем он будет использован находящимися в здании людьми.)

Если приточный воздух содержит большее количество наружного воздуха, чем это необходимо, то система обнаружит и измерит это превышение. При необходимости эта информация может быть использована для динамического расчета и настройки минимального расхода приточного воздуха в зоне для снижения перегрева и потребления энергии вентилятором.

Пустые и почти пустые здания

Источниками некоторых загрязняющих веществ, вызывающих неприятный запах, раздражение и/или оказывающих отрицательное воздействие на здоровье, являются поверхности и материал строительных конструкций здания, или же эти вещества были в свое время поглощены материалом здания, а потом начинают выделяться с поверхности. Хотя и не все строительные нормы требуют этого, настоятельно рекомендуется вентилировать здание перед тем, как в нем начнут постоянно присутствовать люди. Это нужно для снижения образования загрязняющих веществ после достаточно долгого периода без вентиляции (например, в течение ночи или во время выходных).

Поэтому существует предел снижения подачи наружного воздуха в то время, когда в здании находится очень мало людей. Там, где в строительных нормах были приняты требования дополнения 62n, применяются значения расхода наружного воздуха, задаваемые этими требованиями (от 0,3 до 0,9 л/с на м²). В других местах эти значения могут использоваться для контроля, но в чистых зданиях с материалами, выделяющими мало загрязняющих веществ, для одного человека в здании такое количество воздуха слишком много, и на практике при малом количестве людей в здании интенсивность вентиляции может быть снижена.

В некоторых случаях достаточное количество воздуха может проникнуть благодаря инфильтрации, воздуху, компенсирующему вытяжку, из-за всасывания через «закрытые» заслонки наружного воздуха и при переносе воздуха из смежных помещений из-за подпора в них. Поскольку некоторым таким источникам трудно дать количественную оценку, для поддержания нужного давления в здании желательно регулирование вентиляции на основании потребления дополнить заданием минимального абсолютного значения расхода наружного воздуха, если в здании присутствуют люди. Простой метод задания этого минимального абсолютного значения расхода, такой как подача на заслонку наружного воздуха сигнала минимального открытия, может быть достаточным, но для больших или специальных систем могут быть применены более сложные методы.

Регистрация содержания СО₂

Датчики СО₂ являются сложными устройствами. Хотя в последнее время их качество повысилось, а стоимость уменьшилась, но пока они еще недешевы и не достаточно точны, кроме того, с течением времени необходимо регулярно производить их повторную калибровку. Следует уделять особое внимание тому, каким образом они применяются, как калибруются и как проводится проверка их точности.

Конфигурация датчиков. В конфигурации системы с регистрацией содержания СО₂, показанной на рисунке 1, используется один датчик СО₂, который поочередно производит замеры в приточном и в наружном воздухе при помощи трехходового клапана эффективного давления. Всасывающий вентилятор протягивает пробы наружного воздуха через датчик. Такая конфигурация имеет следующие преимущества:

• Концентрация СО₂ в наружном воздухе не предполагается, а измеряется. Благодаря этому компенсируются изменения этой величины в течение суток и года, а также вариации, обусловленные местом измерения.

• Единственный датчик обеспечивает более точный контроль, чем отдельные датчики измерений в приточном и наружном воздухе, т. к. в данном случае при расчете разности концентраций ошибки компенсируются.

• Выход показаний для наружного воздуха за обычный диапазон может служить указанием на неисправность датчика.

• Датчик может быть установлен в хорошо освещенном месте на доступной высоте, чтобы можно было легко считывать его показатели на встроенном дисплее, проверять его точность и производить повторную калибровку датчика. Наш опыт показывает, что для такой конфигурации хорошо подходит воздушная трубка диаметром 6 мм и длиной 10 м, идущая от источника к датчику. При увеличении диаметра трубки длительность протягивания воздуха может быть гораздо больше, не влияя на время от измерения одного источника до измерения другого.

• При помощи единственного датчика может контролироваться система любого размера. По возможности может быть установлена система клапанов, чтобы один датчик мог проводить измерения также и в потоке рециркуляционного воздуха, во втором канале приточного воздуха двойной вентиляторной системы, в приточных каналах нескольких систем или в разных помещениях.

Калибровка датчика. Калибровка датчиков СО₂ производится при помощи специально подобранных тестовых газов (обычно для установки в ноль используется азот, а для настройки на максимальное значение диапазона применяется смесь из СО₂ и азота). Для уменьшения ошибки важно использовать калибровочный газ при концентрации, близкой к той, при которой будет производиться контроль. Если предполагаемая концентрация в приточном газе равна 700 промилей, калибровка при специальной концентрации 700 промилей ± 2 % дает гораздо более точные результаты, чем при стандартной концентрации 2 500 промилей ± 2 %. Кроме того, при такой концентрации можно легче проверить, нужна ли датчику повторная калибровка.

Проверка и повторная калибровка. Проверка точности датчика производится несложно, быстро и может предотвратить ненужную повторную калибровку. Если у датчика имеется дисплей, для его проверки нужно иметь только бутылку с газом нужной концентрации, регулятор и пластмассовую трубку. Смещение показаний чаще всего происходит в сравнительно новых датчиках, поэтому лучше произвести проверку датчика через три месяца после его установки. Затем, если используется рекомендуемая конфигурация датчика с опорным наружным воздухом, должна производиться ежегодная проверка. Если в системе имеется воздухонагреватель наружного воздуха, минимальный расход наружного воздуха будет зависеть от сезона, поэтому лучше всего проверять датчик в начале сезона, в котором система работает с минимальным расходом наружного воздуха.

Для многих датчиков возможна автоматическая повторная калибровка. При такой калибровке обычно производится установка датчика в исходное положение, при этом предполагается, что наименьший отсчет за неделю соответствует обычной концентрации наружного воздуха. Если такое предположение неверно, автоматическая повторная калибровка может привести к значительным ошибкам датчика. В рекомендуемом методе (рис. 1) исключается эта опасность, обеспечивается большая точность и самопроверка.

Проблемы регулирования. Система регулирования должна считывать значения концентрации СО₂ в приточном воздухе постоянно, а в наружном воздухе — периодически. При изменении положений заслонок концентрация в приточном воздухе изменяется быстро, но концентрация СО₂ в наружном воздухе обычно сравнительно постоянна.

Датчики СО₂ проводят измерения проб воздуха в своей измерительной камере (например, каждые 10 секунд), и в показателях может наблюдаться заметный разброс, даже если параметры газа не изменяются. При регулировании показатели усредняются, что позволяет повысить точность и стабильность. Поскольку при регулировании минимального расхода наружного воздуха быстрые изменения нежелательны, производится усреднение сигнала по отрезку времени, равному одной или нескольким минутам.

При переключении между разными источниками воздуха системы регулирования должны игнорировать показания датчиков, пока через них не начнет протекать новая проба воздуха, показатели не стабилизируются и не будет набрано достаточное количество показаний для их надежного усреднения.

После длительного периода, в течение которого вентилирование с использованием наружного воздуха было отключено или в помещении не было людей (ночью или в выходные), должен применяться отдельный метод регулирования для доставки достаточного количества наружного воздуха для разбавления загрязняющих веществ, накопившихся во время отключения системы.

Новые и существующие здания

Применение системы регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂ несложно как в новых, так и в существующих зданиях. Однако в существующих зданиях определение необходимого расхода требует больших усилий, т. к. в этом случае необходимо проверить взаимосвязь между интенсивностью притока воздуха в существующих помещениях и расчетным расходом наружного воздуха. Поскольку большинство существующих вентиляционных систем не конструировалось с расчетом для каждого помещения, такой анализ часто приводит к обнаружению помещений, имеющих проблемы с вентиляцией. Для решения этих проблем может оказаться необходимым увеличить подачу первичного приточного воздуха в эти помещения, обеспечить их источником вторичного рециркуляционного воздуха или увеличить долю наружного воздуха для всей системы.

По сравнению с существующими вентиляционными системами, спроектированными и эксплуатируемыми должным образом, система регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂ за время своей работы экономит энергию пропорционально тому, насколько количество людей, находящихся в зоне, обслуживаемой этой системой, отличается от максимального количества. На практике существующие системы поставляют наружный воздух с избытком. Данные системы корректируют степень подачи, что позволяет соответствующим образом изменять потребление энергии.

Затраты на систему регулирования приточного воздуха по концентрации СО₂

Расходы на закупку, установку, программирование, калибровку и ввод данной системы составляют приблизительно 500 долл. США, плюс 1 000 долл. США на датчик, плюс прибыль генерального подрядчика, плюс налоги.

Можно ожидать, что для новых проектов затраты на проектирование сравнительно невелики. Для уже существующих объектов некоторое время необходимо затратить для рассмотрения имеющихся чертежей и отчетов, осмотра на месте, анализа существующей системы, подготовки отдельной документации и проверки монтажа. В результате затраты могут составить порядка 2 000 долл. США, плюс 600 долл. США на датчик, если работа выполняется опытным инженером. Если же у инженера это первый проект, понадобится дополнительно около двух недель для должного изучения концепции и разработки подходящих методов, электронных таблиц, детальных чертежей, технических спецификаций и контрольных списков.

В эти расходы не входят расходы на решение проблем существующей системы вентиляции, на ремонт неисправных заслонок или на увеличение производительности системы прямого цифрового управления (введение одного дополнительного аналогового входа и одного дополнительного цифрового выхода).

Рисунок 2. (подробнее) Показатели системы регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО2 при частичной занятости людьми помещения

Сравнение с другими стратегиями контроля минимального расхода наружного воздуха

Естественно, новый метод контроля имеет смысл только в том случае, если он обеспечивает преимущества по сравнению с другими методами. Этот раздел служит для того, чтобы читатели смогли оценить данные преимущества. Во-первых, здесь рассматриваются наиболее существенные критерии и рассказывается о тех проблемах, которые могут возникнуть. Во-вторых, здесь перечисляются альтернативные методы (см. табл. 1) и определяются критерии для решения указанных проблем. В третьих, более подробно освещаются другие методы, основанные на анализе концентрации СО₂.

Цель применения. Если нельзя рассчитывать, что метод обеспечит выполнение необходимой функции в соответствующих условиях, то такой метод не имеет большой ценности. В качестве примера можно привести метод поддержания температурного баланса в теплую погоду при неподходящей разности температуры между наружным и рециркуляционным воздухом. Температурный баланс может представлять проблему также в других условиях при невозможности точного считывания температуры смешанного воздуха. Ниже рассматриваются другие примеры, такие как контроль содержания СО₂ в помещении при помощи нескольких датчиков и контроль среднего содержания СО₂ в рециркуляционном воздухе. Цель применения описываемой системы рассмотрена выше.

Настройка. Трудно настроить системы, зависящие от задания определенного минимального расхода, но не имеющие средств для точного непосредственного измерения этого расхода агентом балансировки. Иногда они могут быть настроены на основании разности расхода приточного и рециркуляционного воздуха, но это часто невозможно сделать с достаточной точностью. В этом случае эти системы настраиваются при помощи измерения общего расхода и температуры рециркуляционного, наружного и приточного воздуха с последующим вычислением минимального расхода наружного воздуха на основании температурного баланса. Трудность обеспечения точных измерений температуры делает результат скорее выражением ожидаемых соотношений, чем точным представлением того, что происходит на самом деле. Предполагая, что система приточного воздуха сбалансирована (или будет сбалансирована), описываемая система может быть настроена буквально за несколько минут, не требуя наличия оборудования балансировки и не ожидая особых погодных условий (см. раздел «Регистрация содержания СО₂»).

Надежность. Регулирование, основанное на использовании постоянного сигнала, служащего для точной установки заслонок в слегка открытом положении, со временем ухудшается, т. к. износ увеличивает утечки, а настройки сбиваются во время технического обслуживания заслонок или исполнительных механизмов. Судя по нашему опыту, на регулирование на основании непосредственного измерения в потоке наружного воздуха оказывают влияние засорение отверстия направленной к потоку трубки Пито или параметры электронных чувствительных элементов в потоке воздуха. Регулирование на основе содержания в помещениях СО₂, регистрируемого при помощи нескольких датчиков, представляет определенную проблему из-за наличия в этом методе нескольких точек возможных неполадок. Данная система не содержит много элементов, которые могут выйти из строя. Один датчик и один переключающий клапан обслуживают всю систему. Система может подать сигнал о неисправности и, т. к. она представляет собой активный метод регулирования, компенсировать утечки в заслонках.

Энергия. Системы, не снижающие минимальный расход наружного воздуха во время присутствия в здании небольшого количества людей, могут растрачивать значительное количество энергии, т. к. в большинстве зданий чаще всего присутствует гораздо меньшее количество людей, чем максимально возможно. Системы с двойным обратным клапаном-предохранителем, основанные на содержании СО₂, могут решать эту проблему, а другие системы — не могут. Описываемая в этой статье система также экономит энергию, выполняя рециркуляцию наружного воздуха, проникающего через двери или окна или просачивающегося из соседних систем с избыточным содержанием. Другим преимуществом данного метода для систем вентиляции с переменным расходом воздуха является возможность экономить энергию, идущую на повторный нагрев, уменьшая минимальный расход при регистрации датчиками повышения содержания наружного воздуха в приточном.

Затраты. Регулирование на основании показаний датчиков содержания СО₂ в каждом помещении связано с чрезвычайно большими затратами. Проведение измерений в нескольких точках обычно менее дорого, но сами датчики недешевы. Метод с отдельной заслонкой минимального расхода наружного воздуха и каналом наружного воздуха, предназначенным для измерения расхода, более дорог, чем большинство других методов, а отдельный вентилятор наружного воздуха или непосредственное измерение расхода увеличивает эти затраты. Стоимость большинства других методов, вероятнее всего, приемлема для большинства систем регулирования параметров воздуха в помещении, но в некоторых случаях может быть слишком велика для очень небольших систем. Стоимость системы на основе измерения СО₂ лежит в разумных пределах, т. к. для всей системы необходим только один датчик. В принципе, один датчик может использоваться для регулирования нескольких систем, и для таких систем не нужна специальная смесительная заслонка или устройство воздухозабора.

Техническое обслуживание. Системы, в основе которых лежит точная установка заслонок в частично открытом положении, должны регулярно проверяться, и в них должна производиться повторная калибровка агентом балансировки. Непосредственное измерение расхода в устройстве забора наружного воздуха предполагает регулярную и тщательную чистку. Для датчиков СО₂ тоже необходима периодическая проверка и повторная калибровка. Для правильного датчика эта процедура довольно проста и занимает около 15 минут. Некоторые операторы делают это сами, а некоторые прибегают к помощи специалиста, работа которого, включая составление отчета, стоит около 100 долл. США за датчик. Это больше, чем та сумма, которую в настоящее время платят многие владельцы, т. к. они не выполняют технического обслуживания, необходимого для поддержания постоянного рабочего состояния их систем.

Системы с переменным расходом воздуха. Системы, смешивающие воздух с фиксированным минимальным процентным содержанием наружного воздуха, имеют значительные проблемы с устройствами систем с переменным расходом воздуха. Если расход приточного воздуха падает на 50 %, в такой же пропорции падает и расход наружного воздуха. Если установка заслонки основана на минимальном расходе приточного воздуха, тогда при максимальном расходе забор наружного воздуха будет в два раза больше, чем необходимо, следствием чего будет излишний расход энергии и большая стоимость более мощного оборудования. Если заслонки производят регулирование в диапазоне минимальных положений на основе общего расхода приточного воздуха, результат будет лучше, но не особенно точным.

Адаптируемость. Если фактическое количество людей в помещении, обслуживаемом системой, больше или меньше расчетного значения, то описываемая система и другие системы, основанные на содержании СО₂, автоматически подстраиваются под эти условия. Другие системы будут поставлять наружный воздух в неверном количестве, если только забираемый наружный воздух не рециркулируется и не подается вновь. Если офисное помещение со свободной планировкой перестраивается в конференц-зал без увеличения количества людей, то для большинства систем требуется только изменение минимального расхода приточного воздуха, подаваемого в помещение, но в некоторых системах должна проделываться дополнительная работа.

Проверяемость. Для большинства систем на практике операторы обычно сами не проверяют, доставляет ли система необходимое минимальное количество наружного воздуха. Они могут проверить, не случилось ли что-нибудь, но для того, чтобы проверить, достигается ли нужный результат, они вызывают наладчика. Это довольно дорого и производится редко. В описываемой системе легко проверить, находятся ли параметры СО₂ в приточном воздухе в заданных пределах, а проверка калибровки датчика при помощи простого оборудования занимает только несколько минут.

Запись. В настоящее время запись данных и составление диаграмм об изменении наиболее важных параметров системы ОВК предполагается как само собой разумеющееся. Во многих системах с регулированием расхода наружного воздуха отсутствуют разумные способы реализации этих возможностей. При наличии специальных вентиляторов подачи наружного воздуха можно записать, что вентилятор создал давление в его системе воздуховодов. Система регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂ может записать содержание наружного воздуха в приточном, подаваемом в помещения, а содержание СО₂ в помещении может служить индикатором количества наружного воздуха, подаваемого в помещение, на человека.

Системы прямоточной вентиляции наружным воздухом, в которых наружный воздух без рециркуляции непосредственно подается в каждое помещение в достаточном количестве для обеспечения пиковых потребностей, популярны в Европе и привлекают интерес в Северной Америке. В них количество забираемого снаружи воздуха равно сумме пиковых потребностей в отдельных помещениях, поэтому расчет вентиляции довольно прост. Некоторые отличия от систем другого типа: 1) в мягкую погоду они не обеспечивают естественной и усиленной вентиляции; 2) в них нет рециркуляции неиспользованного наружного воздуха обратно в помещения с людьми (например, рециркуляции из пустых помещений, из помещений, частично занятых людьми, а также рециркуляции воздуха, обошедшего зону дыхания); 3) вентиляция помещений с избытком людей менее эффективна, т. к. не подается рециркуляционный воздух из других помещений, который мог бы помочь для ассимиляции загрязняющих веществ; 4) при необходимости проведения изменений в здании (например, должен быть выделен новый конференц-зал) они должны быть физически модифицированы и повторно сбалансированы.

Если во всех помещениях постоянно находится максимальное количество людей, для системы прямоточной вентиляции наружным воздухом необходим меньший расход наружного воздуха, чем для системы с рециркуляцией. Однако во всех исследованных мной зданиях с обычным разбросом плотности находящихся в них людей, для систем прямоточной вентиляции наружным воздухом требовался больший расход наружного воздуха, чем в системах с рециркуляцией, т. к. в них большое количество наружного воздуха доставляется в пустые или частично занятые помещения, а затем этот воздух выводится в вытяжку. (В зданиях с частичной занятостью забор наружного воздуха системами прямоточной вентиляции наружным воздухом не изменяется и гораздо выше, чем в зданиях с рециркуляцией при помощи системы регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂.)

Компоновка отдельных датчиков СО₂ в каждом помещении с минимальным забором наружного воздуха, регулируемым для обеспечения помещений с наибольшей потребностью теоретически возможна, но на практике она не привлекает к себе внимания. Так как большинство помещений при определенных условиях частичной занятости потенциально могут иметь наибольшую потребность в вентилировании, количество необходимых датчиков в такой системе должно быть большим. При увеличении количества датчиков растет и стоимость системы, увеличиваются затраты на техническое обслуживание, повышается вероятность неполадок в системе. Такой метод зависит от нормальной работы каждого датчика. Если показания какого-либо датчика становятся особенно большими, это сразу вызывает увеличение забора наружного воздуха во всей системе, вполне вероятно, сразу до 100 % производительности. Ограничение установки датчиков только в выделенных типичных помещениях или отсутствие реакции на определенный процент повышения показаний датчиков связаны с риском игнорирования реального изменения ситуации и недостаточного обеспечения вентиляционным воздухом помещений с наиболее высокой занятостью в определенные промежутки времени.

В методе регистрации содержания СО₂ в нескольких точках используется один датчик для взятия проб во многих помещениях и пробы наружного воздуха (аналогично тому, как один датчик может замерять параметры приточного и наружного воздуха). Это может снизить стоимость и повысить надежность, но количество помещений, в которых можно эффективно произвести замеры одним датчиком, ограничено временем взятия проб, необходимым для засасывания воздуха из помещения и получения стабильных показаний.

Метод регистрации среднего содержания СО₂ в рециркуляционном воздухе, вообще, для регулирования минимального расхода наружного воздуха не является удовлетворительным методом, т. к. он не обеспечивает доставку необходимого минимального количества наружного воздуха на человека в полностью заполненное людьми помещение, если вся зона, обслуживаемая системой, занята только частично. Это аналогично регулированию температуры во всем здании по одному термостату. Установка заданного значения контрольной концентрации СО₂ в рециркуляционном воздухе для условий наихудшей частичной занятости не может служить верным решением, т. к. это ведет к избыточной подаче вентиляционного воздуха во время полной занятости.

Расчет содержания СО₂

Шаг 1. Расчет повышения концентрации СО₂ при использовании всего наружного воздуха.

Если в здание наружный воздух подается с расходом, с которым он потребляется находящимися в здании людьми, то в канале рециркуляционного воздуха здания не будет неиспользованного наружного воздуха. Повышение концентрации при таких установившихся условиях может быть вычислено с помощью следующего уравнения:

C_ru — C₀ = 1 000 000 N_b M/R_oz = 1 000 000 x 0,009₂/ 1,2 / 20 ≈ 550 промилей,

где C_ru — концентрация СО₂ в рециркуляционном воздухе, если потребляется весь наружный воздух, поданный в здание;

C₀ — концентрация СО₂ в наружном воздухе;

N_b — интенсивность образования СО₂ на одного человека при базовой интенсивности метаболических процессов, это значение равно 0,0043 л/с на человека;

M — относительная интенсивность метаболических процессов в единицах met, согласно стандарту 62-2001, эта величина равна 1,2;

R_oz — интенсивность, с которой люди в здании «потребляют» наружный воздух, т. е. средний расчетный расход наружного вентиляционного воздуха для зоны, обслуживаемой системой, и равный 10 л/с на человека. Это значение основано на «наихудшем» распределении людей в здании (большая часть людей находится в помещениях, для которых необходим наибольший расход вентиляционного воздуха).

Рециркуляционный воздух может рассматриваться как смесь использованного наружного воздуха и наружного воздуха, доставленного в виде излишка по сравнению с необходимым количеством и оставшегося неиспользованным. В этом случае рециркуляционный воздух может рассматриваться как смесь использованного наружного воздуха при концентрации СО₂, на 550 промилей большей концентрации в наружном воздухе, и наружного воздуха при концентрации СО₂, на 0 промилей большей концентрации в наружном воздухе.

Шаг 2. Расчет роста концентрации СО₂ в приточном воздухе.

Приточный воздух может рассматриваться как смесь рециркуляционного использованного наружного воздуха при концентрации СО₂, на 550 промилей большей концентрации в наружном воздухе, и неиспользованного наружного воздуха. Этот неиспользованный наружный воздух состоит из рециркуляционного неиспользованного наружного воздуха плюс наружный воздух первого прохода, подаваемый непосредственно из канала наружного воздуха. Если приточный воздух на 100 % состоит из наружного воздуха, концентрация в нем СО₂ на 0 промилей больше концентрации в наружном воздухе, а на основании шага 1 концентрация СО₂, на 550 промилей большая концентрации в наружном воздухе, соответствует 0 % наружного воздуха (для этого примера). Следовательно, рост концентрации, соответствующий необходимой доле наружного воздуха в приточном, вычисляется на основании данных раздела «Расчет параметров вентиляции в помещении» (при Z_s — 0,53) следующим образом:

C_s — C₀ = Z_s x 0 + (1 — Z_s) x 550 = 0 + (1 — 0,53) x 550 = 260 промилей.

Преимущества системы регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂

1. Высокое качество вентиляции, обусловленное следующими факторами:

а) точная установка параметров легко выполняется в любое время года;

б) данная система корректирует утечки в заслонках вследствие их износа и предотвращает возможные проблемы, связанные с изменением заданных значений положения заслонок или их потерей во время технического обслуживания или ремонта;

в) система корректирует короткие замыкания вытяжного воздуха на воздухозаборное отверстие наружного воздуха;

г) проверка работы системы подачи наружного воздуха и точности датчиков осуществляется быстро и несложно;

д) показания датчика СО₂ могут отслеживаться и наноситься на диаграмму демонстрации производительности системы;

е) показания для наружного воздуха могут инициировать аварийный сигнал, если на основании этих показаний возникает предположение о том, что датчик неисправен или для него необходима повторная калибровка;

ж) при превышении исходной расчетной занятости во всем здании данная система автоматически корректирует забор наружного воздуха.

2. Может быть достигнута большая экономия энергии, если среднее количество людей в здании гораздо меньше максимального количества или если в системе заменяется неверно работающий датчик.

3. Низкие затраты на установку и техническое обслуживание, т. к. один датчик может обслуживать несколько систем.

4. Данную систему несложно применять в новых или существующих зданиях.

Ограничения, возникающие при использовании метода регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂

1. При обслуживании одного помещения система регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂ работает, но в этом случае метод регистрации содержания СО₂ в помещении более эффективен.

2. Для очень небольших систем данный метод может быть слишком сложен и дорог, если только эти системы не используют один общий датчик СО₂.

3. Как и все системы контроля минимального расхода наружного воздуха, система регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂ должна периодически проверяться и проходить повторную калибровку.

4. Если ни в одном помещении нет необходимости поддержания расчетной минимальной доли наружного воздуха в приточном воздухе, система регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂ реагирует только на общее снижение количества людей в здании (обычно это не является проблемой).

5. После определенного периода, когда в помещении не было людей, данная система вначале не может доставить достаточное количество наружного воздуха для ассимиляции загрязняющих веществ, накопившихся в период отсутствия людей. Поэтому для обеспечения хорошего качества воздуха после таких периодов должен применяться простой цикл предварительной вентиляции.

6. Данная система не может применяться в том случае, если минимальная потребность в наружном воздухе полностью основывается на требованиях для рециркуляционного воздуха или на расходе наружного воздуха на единицу площади.

7. Если минимальная потребность в наружном воздухе основана на комбинации расхода на одного человека и требованиях для рециркуляционного воздуха и/или на расходе наружного воздуха на единицу площади, то данный метод не может использоваться один, он должен быть частью более сложной стратегии регулирования.

Выводы

Метод регулирования расхода приточного воздуха по концентрации СО₂ предоставляет значительные преимущества для систем, в которых используется рециркуляция из нескольких помещений.

Эти преимущества заключаются в экономии энергии, простоте технического обслуживания, большей уверенности в должной вентиляции и в наличии возможности измерения и записи производительности.

Преимущества максимальны в случаях, когда ставится задача обеспечить должное качество внутреннего воздуха там, где количество людей, находящихся в помещениях, изменяется в большом диапазоне, а также в экстремальных климатических условиях или при высоких тарифах на электроэнергию.

Этот метод не пригоден для систем, обслуживающих единственное помещение, в нем нет необходимости, если потребности в рециркуляционном воздухе превышают потребности в вентиляционном воздухе. Данный метод нуждается в модификации, если он используется для обеспечения двух значений расхода вентиляционного воздуха.

 

Перепечатано с сокращениями их журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено канд. техн. наук Е. Г. Малявиной,

тел. (095) 188-36-07.