Статья ВАК: Повышение эффективности использования энергии системами вентиляции на основе управления производительностью по датчикам СО2

Введение

Среди способов снижения потребления энергии и всех видов ресурсов системами вентиляции и кондиционирования воздуха [1] зданий широко известны и повсеместно применяются различные методы утилизации теплоты вытяжного воздуха, рециркуляция вытяжного воздуха, который содержит ценную в холодный период года влагу, управление частотой вращения рабочего колеса вентилятора, применение направляющих устройств после него, снижение скорости движения воздуха в каналах, их тепловая изоляция и повышение плотности для защиты от утечек. Однако все перечисленные пути вынужденно ограничены в своей эффективности [2], в связи с необходимостью сохранения производительности систем по воздуху на уровне, продиктованном санитарно-гигиеническими требованиями и закреплённом в соответствующих нормативных документах. Часть этих требований длительное время не корректировалась и уже не учитывает изменившиеся технологии строительства, часть — устанавливает норму воздухообмена с надёжным запасом, чтобы гарантированно не навредить здоровью человека. И все требования совершенно не допускают вариативности и гибкости, как при определении установочной мощности систем, так и при управлении [3] режимами их работы в процессе эксплуатации.

Перспективным способом повышения эффективности использования энергии системами вентиляции является перевод их работы в адаптивный режим с управлением по контролю за содержанием вредных веществ в помещении. Для большинства гражданских зданий главной проблемой и основным индикатором необходимости обеспечения воздухообмена является концентрация углекислого газа в воздухе помещений. Её можно контролировать с помощью современных датчиков и определять необходимую интенсивность работы систем вентиляции в режиме реального времени, с учётом обеспечения разбавления измеренной составляющей газовой смеси до заданной концентрации. Это позволит в большинстве периодов эксплуатации использовать вентиляцию в режиме пониженной производительности и одновременно с этим сохранять потенциал для её работы в расчётных условиях максимальной загрузки здания. При этом достигается экономия за счёт уменьшения производительности нагнетателей, продления ресурса фильтров, снижения расхода тепловой энергии и других ресурсов [4, 5]. Для широкого внедрения такого решения необходимо нормативное обоснование, которое возможно только после глубокой проработки вопроса в рамках исследовательских проектов, в том числе и с учётом имеющегося российского и зарубежного опыта использования таких систем.

Основной раздел

Наиболее перспективной технологией для целей контроля качества воздуха в помещении являются датчики инфракрасного (ИК) типа или так называемые «недиспергирующие инфракрасные анализаторы» (Non-Dispersive Infrared Sensors, NDIR) [6, 7]. Их можно использовать напрямую для измерения влажности воздуха и концентрации углекислого газа (CO₂), а также косвенно для определения наличия и концентрации летучих органических соединений (ЛОС) и температуры воздуха внутри помещения.

Датчики типа NDIR уже довольно широко применяются для контроля и измерения CO₂ в климатических системах. Они работают по технологии, которую можно лаконично описать уравнением Пьера Бугéра:

I = I0e(-kλl), (1)

где I и I0 — конечная и начальная интенсивности ИК-луча; l — расстояние от источника до приёмника луча; kλ — коэффициент, определяющийся составом газовой смеси.

В конструкцию датчика входят в качестве основных составляющих: источник инфракрасного излучения, светофильтр с тонкоплёночным селективным покрытием и детектор излучения. Датчик заключён в негерметичный компактный корпус с возможностью доступа анализируемой газовой смеси в пространство между источником излучения и светофильтром, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Принцип функционирования датчика вида Non-Dispersive Infrared Sensors (NDIR)

Вещества в газообразном состоянии способны пропускать свет, однако имеют собственные характеристики по отражению или поглощению части его спектра. Если подобрать покрытие на светофильтре таким образом, чтобы оно отсекало изучение во всех спектрах (кроме того, который поглощается искомым компонентом анализируемой газовой смеси), можно получить постоянный сигнал от детектора, который будет прерываться только тогда, когда в пространство между ним и источником света будет попадать различимая концентрация контролируемого газа. Это будет сигналом срабатывания датчика. Разумеется, таким образом можно анализировать газовую смесь на наличие почти любых составляющих. Правда, для этого необходимо будет индивидуально подбирать светофильтр и настройки датчика или заранее предусматривать целую их батарею. На сегодняшний день датчики NDIR-типа уже перешли в категорию доступных, простых в изготовлении и достаточно надёжных устройств.

Однако при их широком применении нужно учитывать целый ряд характеристик, накладывающих ограничения на их возможности и параметры работы.

Первое, как и для любой контрольно-метрической системы или устройства, — вопрос точности производимых измерений. Для некоторых составляющих атмосферного воздуха спектры поглощения могут существенно совпадать или быть очень близки. Это может порождать проблему ложных срабатываний или, наоборот, нечувствительности датчика [8]. На рис. 2 показано характерное совпадение части спектра поглощения испарённой влаги (H2O) и углекислого газа [9].

Рис. 2. Распределение по спектрам интенсивности поглощения инфракрасного излучения составляющими смеси атмосферного воздуха

Таким образом, два обязательных компонента газовой смеси атмосферного воздуха постоянно «конкурируют» за «внимание» системы контроля. Учитывая, что при совпадении спектра поглощения некоторые газы могут вызывать дискомфорт у человека при существенно разных своих концентрациях, ложное срабатывание системы контроля на присутствие в воздухе небольшого количества ассимилированной влаги может привести к преждевременному запуску системы вентиляции. Это приведёт к необоснованному расходу электрической и тепловой энергии. Очевидно, что влага не является однозначным индикатором присутствия в помещении людей и потребности в обеспечении воздухообмена.

Из рис. 2 также видно, что углекислый газ может поглощать излучение в двух существенно различающихся диапазонах частот [9]. Учитывая это, проблему совпадения части спектров с водяным паром можно преодолеть, подбирая покрытие для фильтра в расчёте на не совпадающий по частотам диапазон [10].

Среди других существенных проблем, связанных с устройством и эксплуатацией датчиков NDIR-типа, есть проблемы надёжности, стойкости к работе в запылённых условиях, сохранения работоспособности во влажной среде. На точность измерений влияет старение и загрязнённость фильтра, ослабление свечения источника инфракрасного излучения. На скорость срабатывания влияет в основном скорость заполнения корпуса датчика воздушной смесью с актуальным для обслуживаемого помещения составом в момент измерения. Все эти особенности намного лучше известны разработчикам и производителям этих устройств, чем проектировщикам систем вентиляции. Часть из приведённых выше недостатков успешно компенсируется совершенствованием конструкции и настроек датчиков.

Например, снижение точности измерений уже довольно давно компенсируется встроенными функциями самокалибровки, которая бывает двух разновидностей. Первая — калибровка по эталонному периоду. Она хорошо подходит для помещений с выраженной периодичностью использования, например, для офисов или учебных классов, где высокая загрузка днём сменяется полным отсутствием людей как источника углекислого газа ночью. В течение нескольких таких циклических периодов система измерения зафиксирует минимальную, но повторяющуюся величину концентрации контролируемого вещества за определённый продолжительный период и присвоит этой величине концентрацию CO₂, характерную для наружного атмосферного воздуха, то есть около 400 ppm. Это становится отправной точкой для всех измерений на протяжении всего последующего периода до следующей самокалибровки, которая произойдёт или после перезагрузки системы управления, или после заданного производителем или пользователем времени наработки.

Второй способ калибровки предусматривает наличие у датчика дублирующего эталонного канала, где в замкнутом пространстве содержится газ с известным составом и с известным же спектром и интенсивностью поглощения свечения источника. Такие датчики сложнее и крупнее, однако они могут использоваться в помещениях с круглосуточным пребыванием человека или другого источника углекислого газа, например, в бродильном цехе пивоваренного завода.

Проектировщикам также следует учитывать скорость срабатывания таких датчиков. В значительной степени она будет определяться местом его установки. При размещении датчика в канале сразу после вытяжной решётки или в сборном вентиляционном коллекторе помещения можно ожидать почти мгновенного срабатывания. Однако для этого требуется хотя бы минимальный расход воздуха в вытяжной системе.

При размещении же датчика непосредственно в помещении (как правило, на какой-нибудь поверхности) скорость срабатывания будет определяться скоростью диффузии газов, интенсивностью перемешивания воздуха во внутреннем объёме комнаты, распределением источников CO₂ и интенсивностью их действия. В ситуациях, когда источник углекислого газа будет находиться вблизи датчика, его срабатывание будет значительно более ранним, что будет приводить к отмеченным выше последствиям для энергопотребления системы вентиляции.

При проектировании промышленных зданий также надо помнить, что датчики NDIR-типа чувствительны к запылённости рабочей среды. Иногда это может потребовать даже фильтрации измеряемой среды на входе в канал [11], где будет размещаться измерительное устройство. При этом датчики характеризуются как малочувствительные к воздействию агрессивных газов, устойчивые к влажности воздуха и образованию конденсата. Фактически высокая надёжность и устойчивость к деструкции инфракрасных датчиков загазованности ограничивается в основном сроком службы полупроводниковых диодов, входящих в их состав. Многие производители готовы гарантировать срок службы датчиков без снижения точности на протяжении пяти лет и более.

Альтернативой датчикам NDIR-типа могут быть полупроводниковые и электрохимические датчики углекислоты. Они характеризуются хорошей селективностью, мало зависят от температуры, имеют низкое энергопотребление. Однако электрохимические датчики довольно чувствительны к испарениям активных веществ и быстро деградируют под их воздействием.

Заключение

Переход к управлению вентиляцией по единственному конкретному критерию позволяет существенно экономить, точно задавая производительность оборудования в каждый момент времени, однако ставит качество искусственной среды обитания под угрозу образования непредвиденных воздействий от иных составляющих воздуха помещений. Так, включение вытяжной вентиляции только по датчику CO₂ полностью исключает любые реакции на существенное изменение влажности или, что хуже, поступление в объём помещения опасных веществ, например, метана. В то время как традиционная система вентиляции продолжала бы разбавлять концентрацию всех опасных составляющих воздуха помещения независимо от их состава и интенсивности поступления, поскольку она работает в расчётном нормативном режиме с постоянной производительностью. Таким образом, использование датчиков CO₂ для управления системами вентиляции требует глубокого анализа по итогам эксплуатации уже действующих объектов и дальнейшего изучения особенностей их работы в составе систем управления зданий (BMS).