Статья ВАК: Разработка цифровой модели работы систем вентиляции

Введение

Основными источниками поступления веществ в атмосферу являются автотранспорт (83%) и выбросы от стационарных источников — промышленных предприятий (11%). В зависимости от силы воздействия вредные вещества делят на четыре класса: I — чрезвычайно опасные; II — высокоопасные; III — умеренно опасные; IV — малоопасные. В атмосферном воздухе вредные вещества могут содержаться в виде газов, паров, аэрозолей. Наибольший вред жизнедеятельности человека наносят оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, сероводород, хлор, аммиак, пары свинца, ртути.

Критерием качества воздуха является предельно допустимая концентрация (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе. Она определяется количеством вредного вещества в 1 м³ воздуха, не влияющего на здоровье человека, постоянно находящегося под его воздействием.

По характеру воздействия на организм человека токсичные вещества условно подразделяют на:

• общетоксические — вызывают отравление всего организма (оксид углерода, цианистые соединения, свинец, ртуть, бензол и др.);
• раздражающие — вызывают раздражение дыхательных путей и слизистых оболочек (хлор, аммиак, диоксид серы, оксиды азота, фтористый водород и др.);
• сенсибилизирующие — вызывают аллергию (формальдегид, растворители и лаки на основе нитросоединений и др.);
• канцерогенные — вызывают онкологические заболевания (никель и его соединения, амины, оксиды хрома, асбест и др.);
• мутагенные — приводят к изменению генетической информации (свинец, марганец, радиоактивные вещества и др.);
• влияющие на репродуктивную функцию (ртуть, свинец, стирол, марганец, радиоактивные вещества и др.).

Выделяют вещества фиброгенного действия (различные виды пыли), не взаимодействующие с биологическими жидкостями, но оседающие в бронхах и лёгких и вызывающие раздражение слизистых оболочек дыхательных путей.

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны не должно превышать величин ПДК, используемых при проектировании производственных зданий, технологических процессов, оборудования, вентиляции, для контроля за качеством производственной среды и профилактики неблагоприятного воздействия на здоровье работающих.

Рис. 1. Содержание в воздухе PM2.5 в марте — апреле на станции АСКЗА «МКАД 105 восток» [8]

Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны подлежит систематическому контролю для предупреждения возможности превышения ПДК. Предельно допустимыми концентрациями [2–7] перечисленных выше газов, представляющих наибольшую опасность для здоровья человека, являются: оксид углерода — 20 мг/м³, оксиды азота — 5 мг/м³, диоксид серы — 10 мг/м³, сероводород — 10 мг/м³, хлор — 5 мг/м³, аммиак — 20 мг/м³, пары свинца — 0,01 мг/м³, ртути — 0,01 мг/м³. В Москве доминирующим загрязнителем является PM2.5 — мелкодисперсная пыль (табл. 1, рис. 1), состоящая из твёрдых частиц и мелких капелек жидкостей с размером от 10 нм (нанометров) до 2,5 мкм (микрометра). При попадании в лёгкие и кровеносную систему человека частицы PM2.5 осложняют работу сердца и лёгких, вызывают кашель, обострение астмы, приводят к развитию хронических респираторных заболеваний.

Оценка стоимости вентиляционных установок приведена на рис. 2.

Рис. 2. Стоимость вентиляционных установок на 10 тыс. м³/ч

Анализ технических характеристик систем подготовки воздуха общеобменной вентиляции

Перечислим основные требования к составу вентиляционных установок, фильтрующих загрязнения PM2.5:

1. Обязательное наличие высокоэффективного фильтра очистки воздуха, созданного на основе высокоэффективных фильтров для поглощения твёрдых частиц (High-Efficiency Particulate Absorbing Filter, HEPA). Такие фильтры, как правило, сделаны из нетканого волокнистого материала, который способен задерживать даже самые мелкие загрязнения. Среди бытовых очистителей встречаются модели, фильтры которых прошли тестирование и сертифицированы на фильтрацию частиц размером 0,5 мкм и менее, причём с эффективностью не менее 99%. Лидером считаются фильтры HyperHEPA, которые задерживают частицы размером от 0,003 мкм с эффективностью более 99,5%.

2. Наличие системы фильтров для борьбы с загрязнениями разного происхождения и агрегатного состояния. Как правило, в бытовых очистителях, кроме HEPA-фильтра, должен быть ещё угольный фильтр, который борется с запахами и газообразными загрязнениями. Предварительный фильтр задерживает крупную пыль, волосы и другие загрязнения, защищая остальные фильтры, что позволяет им дольше работать с максимальной эффективностью.

3. Для общественных зданий допускается применение роторных рекуператоров с продувочным сектором, исключающим попадание вытяжного воздуха в тракт приточного воздуха, а также при необходимости можно устанавливать после рекуператора дополнительные фильтры и обеззараживатели на тракте приточного воздуха после установки или на входе в обслуживаемые помещения.

Требования к подвижности воздуха для категорий работ:

1. Холодный период года:

• «Лёгкая — 1а» категория (оптимальная 0,1 м/с, допустимо не более 0,1 м/с);
• «Лёгкая — 1б» (оптимальная 0,1 м/с, допустимая не более 0,2 м/с);
• «Средней тяжести — IIа» (оптимальная 0,2 м/с, допустимая не более 0,3 м/с);
• «Средней тяжести — IIб» (оптимальная 0,2 м/с, допустимая не более 0,4 м/с);
• «Тяжёлая — III» (оптимальная 0,3 м/с, допустимая не более 0,5 м/с).

2. Тёплый период года:

• «Лёгкая — 1а» категория (оптимальная 0,1 м/с, допустимая 0,1–0,2 м/с);
• «Лёгкая — 1б» (оптимальная 0,2 м/с, допустимая 0,1–0,3 м/с);
• «Средней тяжести — IIа» (оптимальная 0,3 м/с, допустимая 0,2–0,4 м/с);
• «Средней тяжести — IIб» (оптимальная 0,3 м/с, допустимая 0,2–0,5 м/с);
• «Тяжёлая — III» (оптимальная 0,4 м/с, допустимая 0,2–0,6 м/с).

В зависимости от функционального назначения здания нормативными и регламентирующими документами устанавливаются разные требования к параметрам воздуха. Основные показатели качества воздушной среды помещений:

• температура (оптимальное значение 18–22°C по ГОСТ 30494–2011);
• уровень относительной влажности (оптимальное значение 45–35% по ГОСТ 30494–2011);
• скорость перемещения воздуха (не более 0,2 м/с по ГОСТ 30494–2011);
• кратность воздухообмена (от 400 до 1000 см³/м³ по ГОСТ 30494–2011);
• отсутствие болезнетворных бактерий (не более 500 колоний бактерий в 1 м³, ГОСТ Р 50677–94).

Для фильтрации PM2.5 в вентиляционной системе торгово-развлекательных комплексов рекомендуется использовать систему с центральным кондиционером и HEPA-фильтром или эквивалентным.

После входной вентиляционной решётки воздух проходит через механический фильтр для удаления крупных частиц и загрязнений. Затем воздух проходит через вентиляционный канал, который регулируется клапаном для регулировки потока воздуха. Далее вентилятор приводит воздушный поток в движение и направляет его через фильтр HEPA или эквивалентный, который улавливает все частицы размером 2,5 мкм и менее.

Далее воздух проходит нагреватели и затем с помощью вентилятора подаётся в комнату, которую нужно обслуживать. После прохождения через комнату воздух покидает систему через выходной вентиляционный канал.

Таким образом, схема вентиляции с центральным кондиционером и фильтром HEPA или эквивалентным позволяет создать комфортные условия в помещении и обеспечить фильтрацию PM2.5 в общеобменной вентиляции торгово-развлекательных комплексов.

Принципиальная схема вентиляционной установки представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема вентиляционной установки

Определение объёма базы данных цифровой модели для оптимизации системы общеобменной вентиляции

На основании проведённого анализа необходимого состава центральных кондиционеров для зданий торгово-развлекательных центров, становится возможным сформировать перечень регистрируемых параметров для следующих типов систем центрального кондиционирования. Мониторинг изменения электропотребления выполняют промышленные счётчики электроэнергии. Дополнительные функции: ведение журнала энергопотребления, управление энергии, включение в АСУЭ, устойчивость к электромагнитным полям. Вентиляционная установка с возможностью вариации производительности использует инверторный вентилятор или вентилятор с возможностью изменения числа оборотов, позволяющий плавно изменять скорость вращения приводного вала нагнетателя. Используются приборы: анемометр, термопара, дифференциальный датчик давления. Дроссельные устройства и приводы — группа элементов, управляющаяся от микропроцессорного устройства и осуществляющая контроль, регуляцию и установление аэродинамического режима системы и пр.

В помещении поддержание требуемых микроклиматических параметров осуществляется за счёт датчиков, регистрирующих и передающих информацию об изменении термодинамических величин. Регулировка влажности осуществляется прямым регулированием (непосредственно в помещении) или косвенным методом (по температуре точки росы после камеры орошения). Во втором случае устанавливается двухступенчатая система нагревателей. Такие системы при решении задач снижения уровня пыли и микроорганизмов в воздухе имеют недостатки (табл. 2).

На основании приведённого перечня становится возможным оценить информационной базы для обработки посредством искусственной нейронной сети. Приведённые выше 14 блоков параметров имеют ёмкость не реже ежечасного измерения; проводить измерения ежеминутно — не целесообразно.

Далее принята интенсивность измерении раз в пять минут. Каждый блок параметров должен иметь основной и дублирующий каналы измерений для каждой из имеющихся установок. Принят объём измерителей для одной вентиляционной установки — не менее девяти единиц.

Число входных каналов в матрице исходных данных: 14 [ед. блоков параметров] × 9 [ед. измерителей для одной вентиляционной установки] = 126 ед.

Объём базы исходных данных: 525600 [мин. в году] / 5 мин. [периодичность измерений] = 105,1 тыс. строк в год.

Подобный объём данных наиболее эффективен с точки зрения точности и скорости обработки данных. Его необходимо обрабатывать посредством создания цифровой модели с применением нейросетевого прогнозирования.

Разработка цифровой модели системы вентиляции с помощью нейросетевого прогнозирования позволит проводить различные сценарные моделирования, выполнять задачу оптимизации параметров загрузки системы в зависимости от самых различных входных условий.

Например, можно определять оптимальный режим вентиляции для разных уровней загазованности на близлежащих дорогах, различной активности посещения горожанами данных комплексов, особенностей розы ветров, разовых волн загрязняющих веществ, смога, сезонных выбросов пыльцы растениями и пр.