řízené větrání v malých objektech controlled ventilation in small

Transfer inovácií 14/ 2009
2009
ŘÍZENÉ VĚTRÁNÍ V MALÝCH OBJEKTECH
CONTROLLED VENTILATION IN SMALL BUILDINGS
Ing. Miloš Hernych
Doc. Ing. Libor Tůma, CSc.
Technická univerzita v Liberci, Fakulta
mechatroniky, informatiky a mezioborových studií,
Studentská 2, Liberec, CZ46117
e-mail: [email protected]
Abstrakt
Příspěvek popisuje zkušenosti s provozem
vzduchotechnických větracích jednotek nízkého
výkonu v malých objektech - rodinném domě
nízkoenergetického
standardu
a v Laboratoři
logického řízení.
Kľúčové slová
Rízené větrání, programovatelný automat,
oxid uhličitý.
Abstrakt
The aim of this contribution is practical
experiences operation of air ventilation units for
small buildings in low-energy family house and
laboratory for logic control education.
Key words
Controlled ventilation,
logic controller, carbon dioxid.
programmable
ÚVOD
Jakékoliv pobytové prostory, ve kterých
se delší dobu pohybují uživatelé, je potřeba větrat.
Tato potřeba ani tak nevychází z nutnosti přivádět
do prostor kyslík (faktická spotřeba kyslíku
u lidského jedince je poměrně malá – kolem 20-25
litrů za hodinu), jako z důvodu odvodu škodlivin
z pobytových prostor – kromě produktů samotného
prostředí (organické těkavé sloučeniny, oxid
uhelnatý, ap.) jsou to také produkty metabolizmu
člověka – oxid uhličitý, vodní páry či odéry, ať už
nelibé (pachy) či libé (vůně). Množství těchto
zplodin, vázaných na člověka je možné
kvantifikovat, například jednotkou olf, přičemž
1 olf
„je
produkce
biologických
příměsí
standardním člověkem (koná lehkou činnost
kancelářského charakteru, v sedě, při tepelné
pohodě, s hygienickým standardem 0,7 koupelí za
den). Jiné zdroje znečištění jsou vyjadřovány
počtem standardních osob (olfů), které způsobí
stejně pociťované znečištěni“ [1]. Potřeba ředit tyto
zplodiny čerstvým vzduchem je o několik řádů
větší než spotřeba kyslíku. Hygienické předpisy
zpravidla stanovují množství čerstvého vzduchu,
které je nutné do pobytových prostor přivádět,
náhradním způsobem – buď podle podlahové
plochy, objemu obestavěného prostoru nebo počtu
osob, které prostory užívají. Pro ilustraci – v ČR
problematiku větrání veřejných prostor řeší
například nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se
stanoví podmínky ochrany zdraví při práci, kde se
pro pracovní prostředí s převažující prací v sedě
spojené s lehkou manuální činností vyžaduje
minimální výměnu vzduchu 50 m 3 h −1 , nebo
vyhlášky Ministerstva zdravotnictví č. 410/2005
Sb., o hygienických požadavcích na prostory
a provoz zařízení pro výchovu a vzdělávání dětí
a mladistvých, která stanovuje výměnu vzduchu
mezi 20-30 m 3 h −1 na žáka. Pro bytové a rodinné
domy ovšem v ČR zatím neexistuje závazný
předpis, který by tuto problematiku jednoznačně
řešil, pouze norma ČSN 73 0540-2 doporučuje
větrat s intenzitou výměny vzduchu 0,3-0,6 objemu
objektu za hodinu. Většina objektů je v současnosti
větrána „přirozeně“, kdy se předpokládá, že je
dostatečná výměna vzduchu zajištěna stavebními
úpravami – různými spárami, průduchy,
netěsnostmi a podobně. Jen malé procento objektů
je vybaveno vzduchotechnikou, která čerstvý
vzduch přivádí nuceně. Ani u těchto zařízení však
není ve většině případů řešena regulace dodávky
vzduchu v pravém slova smyslu, zpravidla pracují
v režimu start-stop, maximálně v několika málo
úrovních výkonu, často manuálně přepínaných. Je
to hlavně proto, že je fakticky nemožné pro účely
zpětnovazebního řízení objektivní on-line měření
všech sloučenin, které mohou mít na kvalitu
vzduchu vliv. Pro tyto potřeby by však ve většině
případů stačilo měřit koncentraci oxidu uhličitého.
Tento plyn má totiž přímou vazbu na metabolizmus
člověka, který jej produkuje v poměrně velkém
množství, navíc v závislosti na aktuální fyzické
zátěži. Platí, že na každých 5 spotřebovaných
molekul kyslíku člověk vyprodukuje 4 molekuly
CO2 [2]. Pokud není ve vnitřním prostředí nějaký
jiný významný zdroj tohoto plynu, měla by být
jeho koncentrace poměrně dobrým indikátorem
potřeby větrání. Toho si všiml již v 19.století
německý chemik Max Joseph von Pettenkofer
(1818-1901), který po průzkumech v bavorských
školách, kdy zjišťoval souvislost mezi koncentrací
CO2 a procentem osob, nespokojených s vnitřním
klimatem, jako mezní přijatelnou hodnotu definoval
koncentraci 0,1 % (1000 ppm) CO2.
I naše
měření
prováděná
na
experimentálních systémech zcela jednoznačně
ukazují na velmi těsnou a rychlou vazbu mezi
přítomností či nepřítomností osob a vzrůstem či
poklesem koncentrace CO2 v měřených prostorech.
61
Transfer inovácií 14/ 2009
EXPERIMENTÁLNÍ OBJEKTY
Prvním objektem je Laboratoř logického
řízení, která se nachází v přízemí budovy
A Technické univerzity v Liberci, má rozměry
přibližně 9x16 m, objem cca 420 m3 a kapacitu až
40 míst. V ní je jako fyzikální model instalovaná
větrací a cirkulační vzduchotechnická jednotka
s rekuperací Atrea RB. Tato konkrétní jednotka je
uzpůsobena výukovým účelům, protože primární
využití výrobku je vytápění a větrání bytů
a menších domů nízkoenergetického a pasivního
standardu. Běžně dodávaná autonomní řídicí
jednotka byla proto nahrazena programovatelným
automatem Tecomat TC659 a původní ovládání
výkonu cirkulačního i větracího ventilátoru
přepínáním odboček autotransformátoru zaměněno
za 2 frekvenční měniče Allan-Bradley PowerFlex
40. Z PLC je na modelu dále možné spojitě ovládat
nastavení
směšovací
klapky
čerstvého
a cirkulačního vzduchu, dále dvoupolohově ovládat
bypass rekuperátoru, klapku na sání čerstvého
vzduchu, oběhové čerpadlo a uzavírací ventil topné
vody (jednotka je připojena na centrální rozvod
tohoto média v budově). Vzduch z jednotky je
rozveden podél oken spiro potrubím s výůstky, sání
je podobným způsobem realizováno na zadní stěně
místnosti.
Konfigurace
dovoluje
jednotku
provozovat ve více režimech, od čistě větracího
s nebo bez rekuperace až po čistě cirkulační,
s možností přitápění (topný výkon teplovodního
výměníku v jednotce je až 4 kW). Do sacího traktu
bylo instalováno čidlo koncentrace CO2 Protronix
ASCO2-P, pracující na optickém principu (NDIR NonDispersive Infrared Radiation absorption).
Provozní data celého systému jsou ukládána do
databoxu v PLC.
Druhým objektem, ve kterém jsou
prováděny experimenty, je podkrovní rodinný dům
nízkoenergetického standardu (pro představu
zateplení podlaha 20cm EPS, stěny 26 cm EPS,
střecha 40 cm minerální vata) s podlahovou
plochou cca 160 m2 a výpočtovou tepelnou ztrátou
3,5 kW při –18°C, obývaný 4 osobami. V domě je
instalována jiná varianta jednotky Atrea RB, která
je připojená na teplovodní elektrický kotel
Protherm Rejnok 6 kW. Řízení jednotky stejně jako
většiny funkcí celého domu obstarává PLC
Tecomat Foxtrot s několika externími jednotkami
Tecomat a Inels, výkon ventilátorů je řešen
přepínáním odboček autotransformátoru. K tomuto
účelu byla vyvinuta autonomní jednotka, která
současně slouží i ke sběru některých dat z objektu –
v současnosti je k jednotce připojeno 21 digitálních
teploměrů Dallas, komunikujících po sběrnici
1Wire. Jednotka komunikuje s PLC Foxtrot po
sběrnici RS485 protokolem EPSNet. Pomocí PLC
je v domě kromě VZT jednotky obsluhováno také
23 světelných okruhů, digestoř, elektrokotel,
oběhové čerpadlo a 3 okruhy podlahového topení
(koupelny, předsíň). Kromě teploměrů je v PLC
vyhodnocováno 62 tlačítkových vstupů „vypínačů“
62
2009
osvětlení a dalších funkcí, 5 PIR čidel, 14
magnetických dveřních a okenních kontaktů,
snímač hladiny osvětlení a čidlo koncentrace CO2
Figaro
TGS4161,
které
pracuje
na
elektrochemickém principu. Provozní data jsou
k dispozici on-line přes zabudovaný webserver
i průběžně ukládána do databoxu a následně na
paměťovou kartu MMC-RS.
POPIS PROVEDENÝCH MĚŘENÍ
Měření koncentrace CO2 v obou objektech
probíhala od počátku roku 2009 a měla za cíl
v první řadě získat informace, na jejichž základě by
bylo možné popsat závislost koncentrace CO2 na
provozu obou objektů a získat vstupní parametry
pro matematický popis, na jehož základě by bylo
možné definovat strategii řízení větrání.
Významným parametrem v této souvislosti
je velikost přirozené infiltrace a také skutečný
větrací výkon vzduchotechniky. K jejich stanovení
je možné s výhodou použít právě měřený CO2,
v tomto případě zastupující tzv.značkovací plyn.
Pro jeho koncentraci můžeme odvodit obecnou
diferenciální rovnici
V
dk (t )
+ Ak (t ) = ∑ Pi (t ) + Ak e , (1)
dt
i
kde:
V – celkový objem vzduchu v objektu [ m 3 ]
k – koncentrace značkovacího plynu [-]
A – rychlost výměny vzduchu v objektu [ m 3 s −1 ],
Pi (t ) – okamžité množství produkce/spotřeby CO2
i-tým zdrojem/spotřebičem [ m 3 s −1 ],
k e – koncentrace CO2 v čerstvém vzduchu [-].
Abychom tuto rovnici byli schopni
„rozumně“ vyřešit, musíme přijmout některá
zjednodušení – předpokládejme, že jediným
zdrojem CO2 kromě čerstvého vzduchu jsou lidé –
uživatelé objektu, kteří po zkoumaný časový úsek
produkují konstantní množství tohoto plynu a že na
množství volného CO2 nemají vliv žádné další
chemické nebo biologické pochody (reakce
s vápennými omítkami, fotosyntéza rostlin ap.).
Tyto předpoklady lépe splňuje laboratoř, která není
„zabydlená“ a ve které se nárazově vyskytuje velké
množství uživatelů, takže množství produkovaného
plynu je výrazně vyšší než v rodinném domě.
Zjednodušená diferenciální rovnice z (1)
V
dk (t )
+ Ak (t ) = nD + Ak e , (2)
dt
kde
n – počet osob,
D – produkce CO2 jednou osobou [ m 3 s −1 ].
Transfer inovácií 14/ 2009
2009
Řešením této rovnice dostáváme pro t ≥ 0 vztah
A
n.D ⎞ − V t
.e
n.D ⎞ ⎛
⎛
k (t ) = ⎜ k e +
⎟ + ⎜ k0 − ke −
⎟
A ⎠ ⎝
A ⎠
⎝
(3) ještě dále zjednodušit a pro t > 0 vyjádřit
neznámou A:
, (3)
kde k 0 je výchozí koncentrace CO2 v interiéru v
čase t = 0 .
Pokud chceme zjistit velikost infiltrace
objektu, je lépe zkoumat přechodový děj, který
nastává po odchodu všech osob – v rovnici (3) by
nám jinak figurovaly také hodnoty n a D, které
nemusí být po celou zkoumanou dobu konstantní
a v případě D také ne vždy přesně zjistitelné.
Vypuštěním vlivu osob v objektu je možné rovnici
k (t ) = k e + (k 0 − k e ).e
A
− t
V
⇒ A=−
V ⎛ k (t ) − k e
ln⎜
t ⎜⎝ k 0 − k e
⎞
⎟ . (4)
⎟
⎠
Použitím rovnice (4) můžeme ze 2
libovolných bodů, odečtených na přechodové
charakteristice
získané
záznamem
poklesu
koncentrace CO2 v objektu po odchodu osob,
orientačně stanovit hodnotu infiltrace objektu.
Tímto způsobem byly zjišťovány parametry
zkoumaných objektů pro různé režimy provozu
vzduchotechnických jednotek.
Obr. 1 Týdenní záznam koncentrace CO2 v nevětrané laboratoři.
Obr. 2 Týdenní záznam koncentrace CO2 v laboratoři větrané cca 280 m 3 h −1 .
Na obr.1 je záznam z experimentu, kdy
byla zjišťována „přirozená“ infiltrace učebny TK3
– po dobu jednoho týdne pracovala VZT jednotka
pouze s cirkulačním ventilátorem, klapka sání
čerstvého vzduchu byla uzavřena a ventilační
ventilátor vypnut. V učebně probíhala běžná výuka
a kromě středy 9.4., kdy byla místnost krátce
intenzívně vyvětrána (viz skokový pokles
koncentrace), byla všechna okna zcela uzavřena.
Z průběhu je jasně patrné, že po příchodu studentů
prudce vzrůstá koncentrace oxidu uhličitého
a velice rychle překračuje hranici Pettenkofferova
kritéria, v některých případech přesahuje i horní
hranici rozsahu čidla 2000 ppm.
Během noci sice vlivem infiltrace dochází
k poklesu, ale hodnot blížících se venkovní
koncentraci dosahuje až po několika dnech.
Aplikací vzorce (4) na poklesy koncentrace mezi
jednotlivými dny vychází infiltrace A mezi 35-60
m 3 h −1 (9,7x10-3 až 1,7x10-2 m 3 s −1 ). To vypovídá o
poměrně těsné obálce budovy, přičemž velký vliv
zde mají nová plastová okna i čerstvě provedené
celkové zateplení a také nekomplikovaný tvar
přístavby, ve které se laboratoř nachází. Rozptyl
hodnot je dán výraznou závislostí infiltrace na
atmosférických podmínkách, zejména rychlosti a
směru větru.
63
Transfer inovácií 14/ 2009
Následující týdny byl postupně zvyšován
výkon větracího ventilátoru změnou nastavení
frekvenčních měničů, napájejících ventilátory, na
frekvence 30, 40 a 50 Hz. Na Obr.2 je zachycen
vývoj koncentrace při konstatním provozu
větracího ventilátoru s frekvencí 40 Hz. Z průběhu
je patrné, že koncentrace jen velmi výjimečně a na
krátkou dobu překračuje hodnoty 1000 ppm
a zpravidla se pohybuje na daleko nižších
hodnotách.
2009
Zjištěné průměrné hodnoty celkové
infiltrace v Tab.1, získané aplikací vzorce (4)
vypovídají o rostoucím vlivu větracího ventilátoru,
daném zvyšováním jeho výkonu.
Tab.1 Průměrné hodnoty celkové infiltrace
A pro různé režimy ventilátoru
infiltrace A [m^3/h]
30
200
frekvence [Hz]
40
50
281
314
Obr. 3 Několikadenní záznam koncentrace CO2 v nevětraném domě.
Podobné experimenty byly prováděny také
v experimentálním domě. Hodnota přirozené
infiltrace A zde vychází výpočtem z rovnice (4) dle
metodiky výše popsané kolem 70 m 3 h −1 . Na této
poměrně vysoké hodnotě má pravděpodobně
významný vliv krbový komín, který není možné
utěsnit, a také zřejmě i velké množství květin, které
se v objektu nachází. Během experimetů se projevil
problém, kterým elektrochemická čidla CO2 firmy
Figaro trpí. Použité čidlo má citlivost 1 V na 1000
ppm, ale časem u něj dochází k posunu hodnot
napěťového výstupu, takže je nutná občasná
rekalibrace
expozicí
na
čerstvém
nekontaminovaném
vzduchu.
Vliv
posunu
(postupný pokles ustálených hodnot) i následná
rekalibrace (6.3.2009) je vidět na Obr. 3. Na tomto
obrázku je také patrný denní vývoj koncentrace
CO2: ráno dochází vlivem zvýšené aktivity obyvatel
ke krátkodobému zvýšení koncentrace, která po
odchodu do školy/zaměstnání klesá až do
odpoledních hodin, kdy nejprve začíná stagnovat
(příchod dětí ze školy) a následně do večerních
hodin stoupá. Kolem půlnoci dochází ke stagnaci
nebo mírnému propadu vlivem snížené emise CO2
v první fázi hlubokého spánku a poté je až do
ranních hodin stabilní. Naproti tomu v laboratoři
stoupá koncentrace oxidu uhličitého po příchodu
studentů velmi rychle, ovšem během výukového
bloku nedosáhne ustálené hodnoty a během
přestávky mezi bloky nebo po skončení výuky
klesá. Praktického vyvětrání je ale dosaženo v obou
případech podle velikosti přirozené infiltrace
64
a intenzity nuceného větrání až během několika
hodin či dnů.
ZÁVĚR
Vazba intenzity větrání na koncentraci
CO2 je jednou z možností, kterou je možné při
řízení vzduchotechniky použít. V případě objektů,
kde nejsou jiné významné zdroje tohoto plynu, je
jeho koncentrace v závislosti na počtu osob a jejich
fyzické aktivity evidentní a výstup čidla, měřícího
jejho koncentraci, se dá velmi dobře použít pro
řízení. Zatímco konkrétně u větrání laboratoře bude
nutné volit strategii řízení tak, aby větrací jednotka
začala větrat ihned po zaregistrování růstu
koncentrace CO2, protože díky potenciálně velkému
množství osob je pravděpodobné, že by koncentrace
plynu i dalších škodlivin překročila snesitelnou
hranici. Naproti tomu u rodinného domu bude
možné zvolit konzervativnější strategii a větrání
spouštet až při přiblížení se měřené veličiny
k hodnotě mírně pod Pettenkofferovým kritériem
nebo v případě nutnosti odvětrávat kuchyni při
vaření či WC nebo koupelny při a po jejich použití.
LITERATURA
[1]
[2]
HEMZAL, Karel: Principy některých trendů
ve vzduchotechnice. Větrání vytápění
klimatizace: 2001, č. 2, s. 60-62.
SLAVÍKOVÁ, Jana. Fyziologie dýchání.
Praha: Univerzita Karlova, 1997. 54 s. ISBN
80 7066-658-7.