Контролирана вентилация

иновативна технология за намаляване на енергийните загуби и оптимален микроклимат

Вентилацията е необходима за осигуряване на качеството на въздуха за обитателите на сградите, като основната цел е да има постоянен приток на кислород и да се изнасят извън сградата други газове. Контролираната вентилация определя количеството на постъпващ отвън въздух, в зависимост от броя на обитателите и нуждите от вентилация, които те имат.

Накратко за контролираната от нуждите вентилация
Контролираната от нуждите вентилация (DCV - Demand controlled ventilation) е част от стратегията за вентилация на сградата и е неизменна част от проекта по ОВиК. Концепцията за автоматичен контрол на вентилацията, базиран на необходимостта от пресен въздух е позната от над 20 години. Основната пречка за масовото разпространение на тези системи през тези години е липсата на достатъчно евтин, прост по устройство и надежден сензор.
Към днешна дата контролираната от нуждите вентилация използва предимно сензори за въглероден двуокис (CO₂), като комбинира две технологии: система за модерно отчитане на газа и система за управление на въздуха, която използва данните от сензорите за регулиране на вентилацията. CO₂ сензорите непрестанно следят за състоянието на въздуха в климатизираното пространство. Тъй като хората издишват въглероден диоксид, разликата между концентрацията на този газ в затворено помещение и нивото му извън сградата определя нивото на обитаемост и/или активност в пространството, и следователно - необходимостта за неговото вентилиране. Сензорите изпращат данните за CO₂ към управлението на вентилацията, което автоматично увеличава вентилацията, когато концентрациите на CO₂ в дадена зона са над определено равнище.
Наличието на твърде много или на твърде малко свеж въздуха в една сграда може да е проблем. Свръхвентилацията води до по-голямо потребление на енергия и до по-високи разходи, отколкото са необходими за подходяща вентилация, като същевременно увеличава проблемите с качеството на въздуха в помещенията, намиращи се при топлите и влажни климатични условия. Недостатъчната вентилация води до лошо качество на въздуха, което може да предизвика дискомфорт и здравни проблеми за хората. За да гарантира подходящо качество на въздуха в сградите се препоръчва вентилационна норма 15-20 cfm на човек. За да спазят стандарта, много вентилационни системи са разработени така, че максимално да отдават въздух, когато дадена сграда е пълна с хора, отчитайки че всяка площ винаги е с пълен капацитет. В много случаи резултатът е сгради със свръхвентилация. Разработването на КНВ на базата на СО₂ сензори отчасти се дължи на необходимостта за спазване на нормите без да се появява свръхвентилация.

Най-често използвани са недесперсионните инфрачервени СО₂ сензори. Всички основни производители на оборудване за отопление, вентилация и климатизция (ОВИК) и на ОВИК управление предлагат сензорите или като отделни модули, или като част от окомплектовката на ОВИК системите.Естествено е да се очаква, че по-старите сензори имат проблеми с надеждността и калибрирането, които до голяма степен са отстранени в по-новите модели. Обикновено СО₂ сензорът се монтира на стената, подобно на термостат. По-новите продукти предлагани на световния пазар комбинират термостати и сензори за въглероден диоксид и сензори за относителна влажност - трите основни индикатора за човешкия комфорт - в едно устройство. Сензорите могат да бъдат монтирани във вентилационните тръби вместо на стената, но монтажът в тръбопроводите не е препоръчителен за всички модели. В конвенционалната "кабелна" система от СО₂ сензори кабелите тръгват от сензорите към управлението на ОВИК или към регулиращите превключватели. При безжичните сензори а въглероден диоксид, данните се предават към автоматизираната сградна система по безжичен път и се обработват от контролния алгоритъм. Необходими са подходящо функциониращи модулни регулатори. Може да се наложи пневматичните механизми да бъдат подменени с електронни или с директни електронни механизми. В една модернизирана инсталация, може да се наложи регулаторите да бъдат преправени или осъвременени, за да могат да работят със сензорите.

При всички приложения на СО₂ базираните системи за контролирана от нуждите вентилация е необходимо в сградата непрекъснато да се осигурява минимална базова вентилация, когато в нея има хора. В сгради, в които има строителни или други материали, или процеси, които отделят химикали във въздуха, възниква необходимост от по-голяма вентилация. DCV е подходяща само за площи, в които основната причина за вентилиране е човешката дейност. Индустриалните и лабораторни помещения не се подходящи за СО₂ базирана вентилация.
Потенциалът за пестене на енергия на контолираната от нуждите вентилация (КНВ), използваща сензори за въглероден диоксид варира силно, в зависимост от вида и начина на използване на сгадата. Най-голяма възвръщаемост може да се очаква от гъсто обитавани помещения, в които обитаемостта е променлива и непредвидима (тук се включват аудитории, конгресни зали, някои учебни заведения, места за срещи и търговски обекти), места с голяма необходимост от отопление и/или охлаждане, както и от публични сгради. Проучванията сочат, че КНВ предлага по-големи спестявания при отопление отколкото при охлаждане. В помещения, в които пиковото потребление на енергия и пиковите цени са проблем, КНВ може да бъде използвана за контрол на натоварването съобразно цените в реално време. В тези случаи тя може да спести значителни разходи, дори и без или малко спестяване на енергия. СО₂ базираните системи за контолирана вентилация не са идентични с икономайзерите или с другите системи, които въвеждат външен въздух за охлаждане на сградата. Сградите, които използват охлаждане чрез изпаряване, не могат да се възползват от КНВ по време на охлаждането.
При реновиране на съществуваща вентилационна система разходите ще зависят от това какъв тип на управление има сградата и от степента на трудност при инсталирането и окабеляването на сигналната система, когато се използва система с кабели. Изцяло безжичната сензорна система може да бъде монтирана бързо и без допълнителни разходи, тъй като се захранва с батерии. Отчитайки развитието на захранващите технологии и на енергийното микропроцесорно управление, сензорите могат да работят 2-3 години без да е необходима смяна на батериите.

За технологията
Какато споменахме, контролираната от нуждите вентилация (КНВ), използваща сензори за въглероден двуокис, комбинира две иновативни технологии: СО₂ сензори, които отчитат нивата на въглероден диоксид във въздуха в сградата и система за контрол на въздуха, която използва данните от сензорите за да регулира количеството постъпващ външен въздух, необходим за вентилация. КНВ не работи на базата на предварително зададена и установена формула, а приема, че определянето на количеството въздух за вентилация на база на променливите нужди на обитателите на сградата ще спести енергия и в същото време ще способства за поддържане на качеството на въздуха в затворените помещения на здравословно равнище.
Сензорите за въглероден диоксид постоянно отчитат въздуха в климатизираното пространство. Тъй като хората издишват СО₂, разликата между концентрацията на диоксида в затворени помещения и равнището му извън сградата определя нивото на обитаемостта и/или активността в пространството, а от тук - и необходимостта от вентилация. (Вътрешен/външен диференциал на СО₂ от 700 ppm обикновено се приема, че означава вентилационна норма от 15 cfm/човек; диференциал от 500 ppm означава вентилационна норма от 20 cfm/човек и т.н.). Сензорите изпращат данните за СО₂ към системата за контрол на въздуха, която автоматично увеличава вентилацията, когато концентрациите на СО₂ в зоната са над определено равнище.
Строителните норми определят минималното количество свеж въздух, което трябва да бъде подавано в сградата, за да се осигурява подходящо качество на въздуха.
За да се спазват тези норми, системите на сградната вентилация често работят с постоянни или предварително зададени норми независимо от степента на обитаемост на сградата. Много системи вентилират сградите с постоянна пълна мощност все едно всяка площ в сградата е с максимална обитаемост. Други са програмирани да се приспособяват към очаквана обитаемост, променяйки нормата на вентилация през деня, но без да отчитат действителната обитаемост на сградата. Резултатът често е повече вентилационен въздух в сградите отколкото е необходим. Този въздух трябва да бъде затоплян, охлаждан или изсушаван/овлажняван, което води до увеличаване на разходите и на потреблението на енергия, което няма да е така при осигуряване на подходяща вентилация. Освен това, когато климатът е влажен, по-голямото количество свеж въздух може да доведе до неприятна влажност и до увеличаване съдържанието на прах, плесени и микроорганизми, което влошава качеството на въздуха в затворените помещения и може да предизвика здравословни проблеми на обитаващите.
Липсата на достатъчно свеж въздух, от друга страна, може да предизвика сънливост в обитателите на сградата и да доведе до натрупването на свързани с тях замърсители. Равнище на въглеродния диоксид от около 1100 ppm означава, че нормата на вентилация е паднала под приемливите равнища и че замърсителите във въздуха се увеличават.
За да се избегнат проблемите с голямото или недостатъчно количество свеж въздух, системите за отопление, вентилация и климатизация могат да бъдат снабдени със система за контролиране на вентилацията, в зависимост от нуждите, с цел коригиране на подавания въздуха за вентилиране на затворени помещения съобразно нивото на обитаемост на сградата. СО₂ сензорите вече се приемат като основна технология за отчитане на обитаемостта и осъществяване на КНВ.

Сфера на приложение
СО₂ сензорите съществуват от над 10 години и съществува потенциал за използване на милиони сензори, тъй като всяка сграда с вентилация със свеж въздух може потенциално да се възползва от тази усъвършенствана контролна технология.
КНВ със СО₂ сензори разполага с най-голям потенциал за спестяване на енергия в сгради, в които обитаемостта се променя през цялото денонощие, не може да бъде предвидена и има големи пикове, напр. офис сгради, правителствени сгради, търговски центрове и молове, киносалони, аудитории, училища, клубове и нощни заведения. В сгради с по-стабилни и постоянни нива на обитаемост, КНВ може да гарантира, че определената вентилационна норма за човек се осигурява непрекъснато. Системата за контролиране на вентилацията може да доведе до намаляване на разходите за потребление на енергия в пространства с високи норми на обитаемост или с екстремни климатични условия.

СО₂ базираните КНВ могат да работят заедно с други системи, които подават външен въздух в сградата, който се отоплява или охлажда. Обаче спестяването на енергия при използване на няколко устройства може да е по-малко, тъй като зависи от климата, обитаемостта и типа на сградата.
Сградите, които използват охлаждане чрез изпарение, не могат да се възползват от КНВ през летния сезон, а онези, които използват обменници за отвеждане на топлина между входящия и изходящия въздух, не могат да реализират значителни енергийни спестявания.
Сензорите за отчитане на количеството въглеродрн диоксид се определят като развита технология и се предлагат от всички световнозначими компании за ОВИК оборудване и управление. Технологията е призната от няколко международни стандарта.
СО₂ сензори за използване от КНВ се предлагат от няколко производителя. Повечето производители на термостати и икономайзери интегрират такива сензорите в своите продукти, а основните производители на окомплектовани ОВИК системи за покриви предлагат фабрично монтирани сензори като опция за системите си.

СО₂ базираната КНВ е подходяща само когато има възможност за автоматично настройване на подаването на въздух за вентилация (т.е., вентилатори или въздухорегулатори с променлива скорост).
Сензорите за въглероден диоксид, разработени за системи за контролирана от нуждите вентилация, са подходящи само за контролиране на вентилацията, свързана с обитаемостта на сградите. Този вид вентилиране на помещенията не елиминира необходимостта от базова норма на вентилация, която да предотвратява влошаването на качеството на въздуха от източници на замърсяване, които не са свързани с обитаемостта на сградата като емисии от строителни материали. Затова СО₂ базираната контролирана от нуждите вентилация често може да се окаже неподходяща - или може да изисква по-високи настройки на базовата вентилация - за нови сгради или други, където замърсителите не са свързани с обитаемостта на сградата, тъй като може да не осигурява достатъчно свеж въздух, който да разрежда тези замърсители. СО₂ сензорите използвани в КНВ не са подходящи за отчитане на СО₂ за медицински или индустриални цели, които изискват прецизен контрол на качеството на въздуха.
КНВ може да се използва само за помещения, в които човешката дейност е основната причина за вентилиране на пространството. Индустриалните или лабораторните пространства, в които качеството на въздуха в помещенията се замърсява от много източници, не са подходящи за СО₂ базирана контролирана вентилация.

Механизъм за спестяване на енергия
Спестяването на енергия от СО₂ сензорите за КНВ е в резултат на липсата на необходимостта от затопляне, охлаждане и изсушаване на свежия въздух, повече отколкото е нужно на база на вентилационните норми. Много ОВИК системи вентилират при постоянно фиксирано равнище - обикновено равнището определено за пълна обитаемост - и така осигуряват много повече свеж въздух за един обитател отколкото е необходимо по вентилационна норма. Нещо повече, системите, които използват фиксирани вентилационни норми, не могат точно да отчитат непредвидения за филтриране въздух в дадена сграда (т.е.от изтичане или отворени прозорци) и съответно да коригират входящия свеж въздух.
Контролираната от нуждите вентилация, базирана на СО₂ сензори, позволява контрол в реално време на нивата на вентилиране, съобразно обитаемостта на сградата. Ако сградата е 50% пълна, тогава се използват само 50%, а не 100% от въздуха за вентилация по норма. СО₂ сензорите са най-широко прилаганата и разпространена технология за реализиране на КНВ. Те увеличават вентилационната норма, когато нивото на СО₂ в дадено пространство достигне предварително зададеното ниво, което представлява диференциала между равнищата на СО₂ на вътрешния и външния въздух. Нивото на СО₂ във външния въздух до известна степен зависи от местните условия и оценка, но обикновено се приема, че е около 400 ppm. Следователно ниво на СО₂ на въздуха в затворено помещение от 1100 ppm представлява диференциал от 700 ppm и предполага вентилационна норма от 15 cfm на човек в обитаваното пространство. Диференциал от 500 ppm в същото пространство означава вентилационна норма от 20 cfm на човек.

Най-често използваната технология при СО₂ сензорите е недесперсионна инфрачервена спектроскопия. Тя се основава на принципа, че всеки газ абсорбира светлина с различни дължини на вълните. Сензорите за въглероден двуокис изчисляват концентрациите на СО₂ чрез измерване на абсорбирането на инфрачервена светлина (при дължина на вълните от 4.26 микрона) от молекулата на въглеродния диоксид. Сензорното устройство включва източник на инфрачервена радиация, детектор и електроника, която улавя абсорбирането. Въздухът от наблюдаваната площ се разсейва в камера, снабдена със светлинен източник в единия край и светлинен детектор в другия. Селективни оптични влакна, монтирани над светлинния детектор, допускат през детектора само светлина, абсорбирана от СО₂ с дължина на вълните 4.26 микрона. С покачване нивата на СО₂ се поглъща повече инфрачервена светлина и по-малко може да бъде уловена.
Има също и фото-акустични СО₂ сензори. При тях въздухът се разсейва в камера в сензорите и се излага на светлина с дължина на вълните абсорбирани от СО₂. Тъй като молекулите диоксид абсорбират светлинната енергия, те затоплят въздушната камера и предизвикват пулсации на налягането. Пиезорезистор улавя пулсациите и предава данните на процесор, който изчислява нивото на газа.
Смесените газови сензори също могат да улавят СО₂ заедно с другите газове във въздуха, но не са достатъчно ефективни за контролирана от нуждите вентилация, тъй като не измерват конкретно СО₂ и не могат да бъдат отнесени към вентилационните норми като СО₂ сензори.
Сензорите обикновено се монтират или на стена в пространството, което ще бъде наблюдавано, или във вентилационната система. (Обикновено се препоръчва използването на сензорите, които се монтират на стената, тъй като устройствата монтирани във вентилационната система осигуряват данни за средната концентрация на СО₂ за всички пространства, а не за нивата на газа в отделните помещения.) Сензорите наблюдават концентрациите на въглероден диоксид непрестанно и изпращат данните към системата за управление на вентилационното оборудване. Могат да се използват различни системи за управление, които включват сензори на СО₂: обикновено управление с предварително зададено ниво, което задейства вентилатор или въздушен регулатор, когато нивото на СО₂ превиши предварително зададеното ниво; пропорционално управление, при което сензорните данни коригират обема на вентилирания въздух на различни нива; пропорционално интегрално управление, при което всмукването на свеж въздух се контролира не само според нивото на СО₂, но и съобразно нормата, с която нивото се променя; и двустепенни контроли за базирани в зона системи, при които температурните сензори и СО₂ сензорите контролират вентилацията.
Други ползи
Потенциалните вторични ползи от СО₂ базираната контролирана вентилация включват:
" Подобрено качество на въздуха: чрез увеличаване притока на свеж въздух в сградата, ако нивата на СО₂ се повишат до неприемливо равнище, технологията може да предотврати недостига на вентилация, който води до лошо качество на въздуха и задушни стаи.
" Подобрен контрол на влажността: при влажен климати. DCV може да предотврати ненужно вливане на човешки външен въздух, което причинява дискомфорт на обитателите и подпомага натрупването на прах и плесени.
" Записване на данните за качеството на въздуха: данните от сензорите могат да бъдат записвани, за да се поддържа надежден регистър за правилната вентилация на сградата. Подобни регистри могат да бъдат полезни с цел предпазване на собствениците от свързани с вентилацията заболявания и щети.
" Редуцирано време за работа на основното ОВИК оборудване: подобряването на способността за климатизиране на сградата може да забави включването на ОВИК оборудването в сутрешните часове с няколко часа, което води до значителни спестявания на енергия и разходи.

Разновидности
КНВ може да бъде изпълнена като се използват методи различни от СО₂ сензори за определяне на нивото на обитаемост или качеството на въздуха. Например, сензорите за влага, детекторите за движение, броячите на частици, сензорите за летливи органични замърсители и смесените газови сензори могат да бъдат използвани за регулиране на контролиране от нуждите вентилация. Вентилацията контролирана според времето (т.е., използваща часовници с програмирано време) също е вариант за сгради, които са обитавани в определено време, например офис сгради и училища. На база на различни публикации става ясно, че СО₂ сензорите се превръщат в индустриален стандарт за стандартните КНВ приложения.
СО₂ сензорите са три основни вида: инфрачервени, електромеханични и фото-акустични. Според специализираните публикации инфрачервените сензори са най-често използвания тип за приложенията на КНВ.

Наличните комбинирани сензорни устройства за монтаж на стена са СО₂ сензори с термостати или със сензори за влага.
Има много разновидности на ОВИК и контролните системи, които могат да бъдат използвани със СО₂-базираната КНВ. Възможностите на СО₂ базираната контролирана вентилация могат да бъдат използвани от съществуващите системи като се инсталират сензори и се свържат към системата за контрол на въздуха. Все повече вентилационни системи се произвеждат фабрично снабдени с входове и бутони за управление на допълнително монтирана СО₂ базирана КНВ.

Инсталация
Обикновено сензорите за въглеродрн диоксид се монтират на стената, по подобие на термостатите. Новите продукти, които навлизат на световния пазар, комбинират термостати, СО₂ сензори и сензори за относителна влажност - трите основни индикатора за човешкия комфорт в едно устройство.

При кабелните сензори (тези, които изискват окабеляване за мощност и сигнали), кабелите се прокарват от сензорите към системата за контрол ОВИК на сградата или към пусковия механизъм, който контролира притока на свеж въздух.
Безжичните сензори не изискват нито окабеляване за мощност, нито за сигнал, а данните от сензора се подават към ОВИК системата през входа, който използва един от няколкото комуникационни протокола.
При модернизираните сгради може да се наложи регулаторите да се преправят или осъвременят, за да могат да работят със сензорите. Необходими са правилно функциониращи модулни регулатори. Пневматичните контролни механизми трябва да се сменят с електронни или преки дигитални контролни механизми; може да се наложи съществуващите електронни контролни механизми да бъдат сменени с преки дигитални контролни механизми. Задвижващите модули, които нямат входове за сензорите, ще трябва да бъдат осъвременени. Част от подготвителните работи за функционирането на КНВ е наблюдаването на въздуха около сградата поне в продължение на седмица, за да се установи концентрацията на СО₂ във вентилационния въздух. Диференциалът между равнищата на СО₂ във външния и вътрешния въздух ще определи количеството на свежия въздух необходим за осигуряване на качествена вентилация. Концентрациите на СО₂ във всички зони в климатизираното пространство също трябва да бъдат наблюдавани няколко дни, за да се определят нивата на съществуващата вентилация в зоните. При този мониторинг може да установят проблеми в системите за контрол на въздуха, които трябва да бъдат отстранени преди пускането на КНВ.

За да се гарантира, че сензорите са точно калибрирани и работят както трябва, е необходимо да се използва ръчен монитор, който редовно да проверява концентрациите на СО₂ вътре в сградите в продължение на няколко дни след пускането на системата. Данните от монитора трябва да бъдат сравнявани с данните, които сензорите изпращат към системата за управление на вентилацията. Сензорите, които не са правилно калибрирани трябва да бъдат повторно калибрирани. Всички приложения на СО₂ базираната контролирана от нуждите вентилация трябва да осигуряват минимална вентилационна норма във всеки един момент, в който сградата е обитавана. Често се препоръчва новата базова вентилационна норма да е 20-30% от първоначално определената вентилационна норма за конкретното пространство при максимална обитаемост. За сгради, в които има строителни материали или протичат процеси, които освобождават химикали във въздуха, може да се наложи и по-голяма стойност на въздушния поток.