Modelovanie vetracích systémov s konštantným prietokom vzduchu a systémov riadených skutočnou potrebou

1. Úvod

Stratégie vetrania založené na snímaní úrovne koncentrácie oxidu uhličitého obsiahnutého v ovzduší sú navrhnuté tak, aby umožňovali dosiahnuť požadovanú kvalitu vzduchu pri minimálnych prevádzkových nákladoch. Množstvo privádzaného vzduchu v budove sa tak mení v závislosti na meranej koncentrácii oxidu uhličitého, čím sa zabezpečí, že budova nebude nedostatočne ani nadmerne vetraná.

Príspevok porovnáva systémy vetrania s konštantným prietokom vzduchu s vetraním riadeným skutočnou potrebou vzduchu pri rozdielnych úrovniach obsadenosti školskej učebne Fakulty strojního inženýrství, Vysokého učení technického v Brně. Pre simuláciu bol použitý programovací jazyk MATLAB/Simulink.

Výsledky ukazujú, že riadením vetrania podľa skutočnej potreby vzduchu možno dosiahnuť zdravotne nezávadné podmienky a úsporu spotreby vzduchu až do 60 %, pri súčasnej úspore energie na ohriatie vzduchu až 360 kWh za nízkych okolitých teplôt. V prípade miernych simulovaných podmienok bola dosiahnutá úspora energie približne 23 kWh.

Keďže študenti trávia v školách väčšinu času je dôležité, aby boli v učebniach zabezpečené nezávadné hygienické podmienky a kvalita ovzdušia. Toto je možné dosiahnuť privedením vonkajšieho vzduchu do miestnosti, čím sa v ovzduší eliminujú kontaminanty, ako vlhkosť a aromatické látky. Vzhľadom k tomu, že obsadenosť priestorov môže byť charakterizovaná koncentráciou oxidu uhličitého, používa sa pre hodnotenie stavu ovzdušia práve táto veličina. Aby sa zabránilo hromadeniu aromatických látok v ľudskom tele, je nutné aby koncentrácia oxidu uhličitého v priestore neprekročila hodnotu normálne obsiahnutú v ovzduší o viac ako 650 ppm, resp. nepresiahla 1000 ppm [1]. Napriek tomu, že vonkajšia koncentrácia oxidu uhličitého závisí na lokálnych podmienkach ovzdušia, uvažuje sa s priemernou hodnotou 400 ppm [2].

Epidemiologický výskum ukazuje, že koncentrácia oxidu uhličitého je dobrým ukazateľom predvídania ľudského zdravia a výkonu. Shendell a kol. [3] poukázali na skutočnosť, že s nárastom koncentrácie oxidu uhličitého v školských učebniach sa zvyšuje aj absencia študentov. Shaughnessy [4], rovnako ako aj Wargocki a Wyon [5] uvádzajú, že výkon študentov pri skúškach klesá s nárastom koncentrácie oxidu uhličitého v školských učebniach.

Väčšina súčasných ventilačných systémov umožňuje dosiahnuť požadovanú kvalitu ovzdušia len za cenu nadmernej spotreby energie. Tieto využívajú prívod preddefinovaného množstva vzduchu, ktoré je navyše dimenzované na maximálnu obsadenosť miestnosti. Takýto spôsob ventilácie je ale značne nehospodárny, keďže maximálna obsadenosť sa dosahuje len zriedkavo. Za účelom zvýšenia efektívnosti vetracích systémov bol zavedený ukazovateľ produkcie oxidu uhličitého, čím sa dosiahlo, že do vnútorného priestoru sa privádza len toľko upraveného vzduchu, koľko je potrebné pre udržanie kvality ovzdušia. Do miestnosti sa teda neprivádza konštantné množstvo vzduchu, ale tento spôsob riadenia poskytuje schopnosť merať a riadiť množstvo privedeného vzduchu podľa potreby určenej monitorovaním koncentrácie oxidu uhličitého v ovzduší. Množstvo energie vynaloženej k procesu úpravy vzduchu sa tak výrazne zníži. Tento spôsob riadenia a úpravy vzduchu v danom čase sa nazýva vetraním riadeným podľa skutočnej potreby.

Využitím riadenia vetrania podľa skutočnej potreby možno v prevádzke budov dosiahnuť významné úspory energie, pretože sa upravuje len toľko vzduchu, koľko je skutočne potrebné. Dosiahne sa tým požadovaná kvalita vzduchu v miestnosti a účinnosť je vyššia. Výsledky publikované v literatúre [6] a [7] ukazujú značný potenciál úspory energie pri využití vetrania podľa skutočnej potreby a to najmä v budovách, kde sa obsadenosť pomerne rýchlo mení. Na základe simulácií [8] bolo zistené, že uplatnením systému vetrania na základe skutočnej potreby možno dosiahnuť úsporu chladiacej energie až do 20 %. Vo všeobecnosti je však táto hodnota ovplyvnená radou faktorov, medzi ktoré patrí aktuálna obsadenosť, vybavenie miestnosti a samotná konštrukcia budovy. Najvýraznejšiu energetickú úsporu možno dosiahnuť v prípade objektov, kde sa nepretržite mení obsadenosť, ako sú napríklad divadlá, školy, hotely, a pod.

2. Zákon zachovania hmotnosti koncentrácie oxidu uhličitého

Pri modelovaní dynamických zmien koncentrácie oxidu uhličitého vo vnútorných priestoroch budov sa vychádza z princípu zachovania hmotnosti [9]. Hmotnostná bilancia sa v prípade ustáleného stavu určí podľa rovnice [10]

kde je

V

– objem miestnosti [m³]

C_in

– vnútorná koncentrácia oxidu uhličitého [ppm]

C_out

– vonkajšia koncentrácia oxidu uhličitého [ppm]

t

– čas [s]

G

– množstvo vyprodukovaného oxidu uhličitého [m³/s]

Q_v

– objemový prietok [m³/s]

Po príchode ľudí do miestnosti sa začne koncentrácia oxidu uhličitého zvyšovať, až pokým vetrací systém nedodá toľko čerstvého vzduchu, koľko je nutné pre dosiahnutie rovnováhy. Hovoríme teda o rovnovážnom bode, kedy sa nemení koncentrácia oxidu uhličitého v priestore

Rovnica (1) sa potom môže prepísať nasledovne

Pre potreby simulácie musí byť rovnica (1) upravená do nasledovného tvaru

Objemový tok vzduchu dodávaný do vetranej miestnosti možno vypočítať ako

kde je

n

– intenzita výmeny vzduchu [h⁻¹]

Zadaním rovníc (4) a (5) do programu MATLAB/Simulink dostávame dynamický model koncentrácie oxidu uhličitého v miestnosti (Obr. 1).

3. Vetranie s konštantným prietokom vzduchu

Táto vetracia stratégia využíva princíp prívodu preddefinovaného množstva vzduchu, čím sa eliminuje koncentrácia oxidu uhličitého v ovzduší. Jediným kritériom je prítomnosť ľudí v priestore, ktorá určuje aké množstvo vonkajšieho vzduchu bude do vetraného priestoru privedené. Nízka úroveň vetrania sa obvykle uplatňuje v prípade, že sa v miestnosti nenachádzajú žiadni ľudia, a teda k udržaniu optimálnej koncentrácie oxidu uhličitého stačí priviesť minimum vzduchu. Naopak, ak sa v miestnosti nachádzajú ľudia, býva vetrací systém aktivovaný a intenzita privádzaného vzduchu sa zvýši na preddefinovanú úroveň. Obr. 2 znázorňuje dynamický model koncentrácie oxidu uhličitého v miestnosti s konštantným prívodom vzduchu.

Prepínač je za normálnych okolností nastavený na nízku úroveň vetrania a aktivuje sa len vtedy, keď je priestor obsadený ľuďmi. V tomto prípade bude do miestnosti privedený maximálny návrhový prietok vzduchu. Integráciou prietoku podľa času dostávame celkovú spotrebu vzduchu.

4. Vetranie riadené skutočnou potrebou vzduchu

Za účelom úspory energie boli navrhnuté vetracie systémy, využívajúce koncentráciu oxidu uhličitého ako kvantitatívny ukazovateľ kvality ovzdušia vnútorného prostredia. Na základe snímanej hodnoty je automaticky upravovaný prietok vzduchu takým spôsobom, aby koncentrácia nepresiahla maximálne povolené limity. Súčasťou riadiaceho systému sú snímače umiestnené vo vnútornom priestore, ktoré merajú koncentráciu oxidu uhličitého v ovzduší. Ak namerané hodnoty presiahnu preddefinované, dôjde na základe vzniknutého rozdielu k úprave prietoku vzduchu.

V simulačnom modeli je použitá hraničná úroveň koncentrácie oxidu uhličitého 800 ppm. Ak nameraná koncentrácia oxidu uhličitého presiahne túto hodnotu s požadovanou toleranciou, aktivuje sa zvýšený prietok vzduchu, až pokiaľ neklesne hodnota koncentrácia pod definovanú hranicu. V opačnom prípade je vetrací systém nastavený na nízku úroveň vetrania (Obr. 3).

5. Model vetrania

Uvedené vetracie stratégie boli porovnávané na dynamickom modeli posluchárne P2 Fakulty strojního inženýrství, Vysokého učení technického v Brně, s kapacitou 220 osôb. Parametre použité v simulácii sú:

1. Objem vzduchu miestnosti, 980 m³
2. Vonkajšia koncentrácia oxidu uhličitého, 430 ppm
3. Časová konštanta snímača oxidu uhličitého, 120 s
4. Produkcia oxidu uhličitého na osobu, 18 litrov/hod
5. Intenzita výmeny vzduchu pri aktivovanom vysokom prietoku, 9,0 h⁻¹
6. Intenzita výmeny vzduchu pri aktivovanom nízkom prietoku, 1,5 h⁻¹

Obsadenosť posluchárne je simulovaná pomocou obdĺžnikových impulzov s parametrami uvedenými v Tab. 1. Sčítaním impulzov bol získaný výsledný signál, ktorý predstavuje celkovú obsadenosť učebne počas periódy jedného dňa (Obr. 4). Uvedeným spôsobom bolo možné simulovať, ako sa s počtom osôb v posluchárni mení produkcia oxidu uhličitého.

Tab. 1 Parametre obdĺžnikového impulzného signálu

Amplitúda [–]	Perióda [s]	Šírka impulzu [%]	Fázové posunutie [s]
27	86 400	8,33	28 800
45	86 400	8,33	39 600
62	86 400	8,33	50 400

Výsledky simulácií (Obr. 6, 7, 8) sú porovnávané s hodnotami snímanými monitorovacím systémom EBI (Enterprise Buildings Integrator). Systém pozostáva z množstva aplikácií, ktoré poskytujú informácie o stave budovy a slúžia pre potreby riadenia [12]. Rozhranie systému je uvedené v Obr. 5.

6. Výsledky

Z výsledkov simulácií vyplýva, že maximálna úroveň koncentrácie oxidu uhličitého dosahuje v prípade vetrania s konštantným prietokom vzduchu hodnotu 485 ppm. So zvyšujúcou sa obsadenosťou možno sledovať pozvoľný nárast koncentrácie na 520 ppm, resp. 555 ppm. Vyššie hodnoty obsadenosti teda môžu byť spojené s poklesom kvality, ktorá je ale vo všetkých troch prípadoch dostatočná a nedosahuje maximálne povolené limity.

V prípade vetrania podľa skutočnej potreby vzduchu bola pri najnižšej obsadenosti učebne dosiahnutá maximálna hodnota koncentrácie oxidu uhličitého približne 740 ppm, čo predstavuje z hľadiska kvality ovzdušia značný pokles. V druhom a treťom uvažovanom prípade došlo k nárastu koncentrácie oxidu uhličitého až na hodnotu 915 ppm. Napriek tomu, že sú tu dosiahnuté pomerne vysoké hodnoty, je možné uvažovať kvalitu vzduchu za postačujúcu.

Hraničná úroveň koncentrácie oxidu uhličitého v miestnosti je nastavená na 800 ±100 ppm, s časovou konštantou snímača 120 s, čo vysvetľuje prečo maximálna úroveň koncentrácie presahuje pri najvyššej obsadenosti hodnotu 900 ppm. Nárast koncentrácie oxidu uhličitého pred začiatkom každej okupačnej periódy a pozvoľný pokles po jej ukončení možno v prípade nameraných priebehov pripísať tomu, že sa učebňa neobsadzuje ani nevyprázdňuje okamžite. V skutočnosti sa jedná o postupný proces, ktorý ale v simulačnom modeli nie je zahrnutý.

Odchýlky medzi modelom a meraním sú spôsobené najmä únikom vzduchu v dôsledku otvárania dverí a ďalšími zmenami v produkcii oxidu uhličitého. Kolísanie meraných hodnôt možno odôvodniť nízkou presnosťou snímača a jeho umiestnením v priestore.

6.1 Spotreba vzduchu

Aby bolo možné kvantifikovať dosiahnutú úsporu spotreby vzduchu, je nutné stanoviť objemový prietok vzduchu privádzaného do miestnosti, podľa rovnice (5). Pri navolenej nízkej úrovni vetrania je použitý prietok rovný 0,41 m³/s, ktorého veľkosť možno v prípade potreby zvýšiť na 2,45 m³/s.

Nízka úroveň prietoku sa u vetrania riadeného skutočnou potrebou využíva aj vtedy, keď sa v miestnosti nachádzajú ľudia. Vyššia úroveň prietoku je použitá len vtedy, keď meraná koncentrácia oxidu uhličitého prekročí navolenú hranicu. Ako vyplýva zo simulácie, v prípade nízkej obsadenosti je pre dosiahnutie žiadanej kvality vzduchu postačujúca aj nízka hodnota vetrania. So zvyšujúcou sa obsadenosťou (druhý prípad) je potrebné využiť vyšší prietok vzduchu len na krátky čas, zatiaľ čo pri najvyššej obsadenosti posluchárne sa vyšší prietok využíva po dlhšiu dobu.

Porovnanie spotreby vzduchu na konci okupačnej periódy (Obr. 8, 9) ukázalo, že množstvo vzduchu spotrebované vetraním na konštantný prietok vzduchu je približne 68 000 m³, zatiaľ čo v prípade vetrania riadeného skutočnou potrebou vzduchu je to len 27 000 m³ (úspora 60 %).

6.2 Spotreba energie

Vzhľadom k tomu, že vzduch privádzaný do priestoru je nutné upraviť, môžeme ako jeden z ukazateľov efektívnosti použiť energetickú náročnosť vetrania, podľa rovnice:

kde je

ρ

– hustota vzduchu [kg/m³]

c_p

– merná tepelná kapacita vzduchu [J/kg‧K]

V

– objem vzduchu [m³]

ΔT

– teplotný rozdiel medzi vonkajším a vnútorným prostredím [K]

Priebehy vonkajších teplôt pre simulovaný chladný a mierny deň (Obr. 10, 12) boli získané zo záznamu permanentnej družicovej stanice TUBO [13] pre oblasť Brna. Teplota vzduchu miestnosti bola v oboch uvažovaných prípadoch predpokladaná na úrovni 22 °C.

Podľa porovnania výsledkov simulácií bolo zistené, že v priebehu chladného dňa (Obr. 11) bola vetraním podľa skutočnej potreby vzduchu na konci okupačnej periódy dosiahnutá úspora energie 360 kWh, zatiaľ čo v prípade mierneho dňa (Obr. 13) to bolo približne 23 kWh. Je teda zrejmé, že práve teplotný rozdiel prostredí najviac ovplyvňuje energetickú úsporu vetraním.

7. Záver

Užívatelia menia svojim dýchaním zloženie vzduchu v miestnosti, čo sa prejavuje nárastom koncentrácie oxidu uhličitého v priestore. V prípade, že hodnota prekročí povolený limit, stáva sa vzduch nevhodným na dýchanie, pretože spôsobuje únavu, malátnosť a nesústredenosť. K eliminácii týchto nežiaducich účinkov je potrebné, aby bol objemový prietok privádzaného vzduchu čo najväčší. Naopak, z pohľadu kontroly energie by mal byť tento prietok čo možno najmenší, aby sa minimalizovala potreba ohrevu nového vzduchu.

Súčasné technológie umožňujú zabezpečiť efektívne meranie koncentrácie oxidu uhličitého v priestore a na základe týchto parametrov riadiť ventilačný systém tak, aby bola zabezpečená dostatočná kvalita vzduchu a súčasne minimalizovaná energetická náročnosť. Takto koncipované ventilačné systémy sú obzvlášť efektívne v prípade priestorov s premenlivým počtom ľudí, pretože výkon vetrania sa tu mení v závislosti na skutočnej obsadenosti miestnosti.

Výsledky ukazujú, že riadením vetrania podľa skutočnej potreby vzduchu možno dosiahnuť zdravotne nezávadné podmienky a úsporu spotreby vzduchu až do 60 %, pri súčasnej úspore energie na ohriatie vzduchu až 360 kWh za nízkych okolitých teplôt. V prípade miernych simulovaných podmienok bola dosiahnutá úspora energie približne 23 kWh.

Použitá literatúra

• [1] KRZACZEK, M.; TEJCHMAN J. Indoor air quality and thermal comfort in naturally ventilated low-energy residential houses, ed. Sunil Kumar a Rakesh Kumar. Environmental Sciences: Air Quality – Monitoring and Modeling, 2012, ISBN: 978-953-51-0161-1.
• [2] LACKNER, K. S. Capture of carbon dioxide from ambient air. The European Physical Journal Special Topics. 2009, Vol. 176 (1), s. 93–106.
• [3] SHENDELL, D. G.; PRILL, R.; FISK, W. J.; APTE, M. G.; BLAKE, D.; FAULKNER, D. Associations between classroom CO₂ concentrations and student attendance in Washington and Idaho. Indoor Air. 2004, Vol. 14 (5), s. 333–341.
• [4] SHAUGHNESSY, R. J.; HAVERINEN-SHAUGHNESSY, U.; NEVALAINEN, A.; MOSCHANDREAS, D. A preliminary study on the association between ventilation rates in classrooms and student performance. Indoor Air. 2006, Vol. 16 (6), s. 465–468.
• [5] WARGOCKI, P.; WYON, D. P. The effect of moderately raised classroom temperatures and classroom ventilation rate on the performance of schoolwork by children. HVAC&R Research. 2007, Vol. 13 (2), s. 193–220.
• [6] EMMERICH, S. J.; PERSILY, A. K. State-of-the-art review of CO₂ demand controlled ventilation technology and application. NISTIR 6729, National Institute of Standards and Technology. 2001, s. 47.
• [7] APTE, M. G. A review of demand controlled ventilation. Healthy Buildings. 2006. Universidade de Porto, Portugal. s. 371–376.
• [8] BRANDEMUEHL, M. J.; BRAUN, J. E. The impact of demand controlled and economizer ventilation strategies on energy use in buildings. ASHRAE Transactions. 1999, Vol. 105 (2), s. 4276–4286.
• [9] POWERS, J. M. Lecture notes on thermodynamics. NotreDame, 2013, 382 s. University of Notre Dame, Department of Aerospace and Mechanical Engineering.
• [10] CHEN, Y. L.; WEN, J. Estimating a building airflow network using CO₂ measurements from a distributed sensor network.International High Performance Buildings Conference at Purdue. 2010, s. 3414–3421.
• [11] ERDMANN, C. A.; STEINER, K. C.; APTE, M. G. Indoor carbon dioxide concentrations and SBS symptoms in Office buildings revisited: Analyses of the 100 building BASE Study dataset. Proceedings of the Indoor Air 2002 Conference, Monterey. 2002, Vol. 3, s. 443–448.
• [12] Enterprise Buildings Integrator, Operators Guide. Honeywell Limited Australia, 2005.
• [13] TUBO, Permanentní GPS stanice. [online].[cit. 2013-04-30]. Dostupné z: http://tubo.fce.vutbr.cz/new