Využití CO2 jako značkovacího plynu pro detekci netěsností vzduchotechnických zařízení
Příspěvek se zaměřuje na experimentální ověření využití CO2 jako značkovacího plynu pro detekci netěsností vzduchotechnických zařízení, místo dnes rozšířeného značkovacího plynu fluoridu sírového (SF6), kterého se týkají legislativní omezení. Ověření využitelnosti CO2 je v závěru doplněno definováním nejistot měření.
Úvod
Hlavním účelem větracího systému je zajištění přívodu venkovního vzduchu do vnitřních prostor a odvod vzduchu znehodnoceného. Zda mezi jednotlivými proudy vzduchu dochází k předávání tepla, případně i vlhkosti, není pro obsah tohoto příspěvku podstatné. Pokud výše uvedenou funkci zajišťuje jedno větrací zařízení (bez cirkulace), kterým je dopravován odpadní i čerstvý vzduch, je nežádoucí, aby odpadní vzduch pronikal do čerstvého přívodního vzduchu. Konstrukce zařízení a tlakové poměry při provozu tomu musí být přizpůsobeny a výrobky jsou v tomto ohledu testovány např. podle ČSN EN 13141-7 [1] nebo ČSN EN 308 [2].
Z technického hlediska je jednou z možností testování netěsností tlaková metoda, při níž se měří průtok vzduchu, který je třeba k udržení stabilního tlaku v testovaném uzavřeném prostoru. Při této metodě se nepracuje se značkovacím plynem. Není však použitelná pro jednotky s rotačním výměníkem, u kterých není možné vzduchotěsně oddělit jednotlivé sektory vzduchu z důvodu rotujícího výměníku. V tomto případě je třeba použít metodu založenou na detekci značkovacího plynu.
Princip měření netěsností s využitím značkovacího plynu spočívá v dávkování značkovacího plynu do odpadního odsávaného vzduchu (ETA) a jeho detekci v čerstvém přiváděném vzduchu (SUP) dle obr. 1, převzatého z ČSN EN 13141-7 [1].
Nároky na značkovací plyn vzhledem k použití jsou toxická nezávadnost, chemická inertnost, technická a cenová dostupnost, možnost detekce velmi malých (malé desítky až jednotky ppm) koncentrací a technická a cenová dostupnost detektorů. Těmto nárokům vyhovuje syntetický, v přírodě se přirozeně nevyskytující a zejména v elektrotechnickém průmyslu desítky let využívaný fluorid sírový (SF6).
Zásadní nevýhodou SF6 je však vysoká schopnost vytvářet skleníkový efekt. Vyjádřeno hodnotou GWP (Global Warming Potential), jehož číselná hodnota 1 je vztažena k molekule CO2, je hodnota pro molekulu SF6 22 800. Jedna molekula SF6 má tedy stejný efekt jako 22 800 molekul CO2. Vrcholové orgány EU proto přijímají přísná opatření ke snížení emisí SF6 a uživatelé se snaží najít vhodnou alternativu [3]. Pracovníci zkušební laboratoře společnosti Air-lab s.r.o., kteří experimenty uvedené v tomto příspěvku prováděli, si po důkladné analýze vybrali oxid uhličitý. Hovoří pro něj jeho dostupnost, nízká cena a nehořlavost, nezpůsobuje korozi zařízení, v používané koncentraci (do 1 %) není toxický, detektory jsou technicky i cenově dostupné.
Experimentální část
Cílem experimentů bylo prokázat použitelnost CO2 jako značkovacího plynu pro určení vnitřní netěsnosti vzduchotechnického zařízení. Pro splnění cíle bylo třeba prozkoumat a vyřešit několik otázek: dávkování, homogenizaci, přesnou detekci, plnění požadavků na nejistoty stanovení netěsnosti.
Obr. 1 Schéma měření vnitřní netěsnosti značkovacím plynem: ETA, resp. index 11 – odsávaný odpadní vzduch z interiéru; EHA, resp. index 12 – odpadní vzduch opouštějící vzduchotechnické zařízení; ODA, resp. index 21 – zařízením nasávaný čerstvý vzduch z venkovního prostředí; SUP, resp. index 22 – čerstvý vzduch dodávaný vzduchotechnickým zařízením do interiéru
První fází zkoušek byl vývoj vhodného detektoru. Jeho základem je komerční senzor s vynikající stabilitou měření a velkým rozlišením, pracující na principu měření absorpce infračerveného světla molekulami CO2, označovaný jako IR (Infra Red) nebo NDIR (Non Dispersive Infra Red).
Senzor byl doplněn o softwarovou kompenzaci vlivu aktuální teploty a tlaku, vybaven čerpadlem pro zajištění vhodného průtoku vzduchu se značkovacím plynem a softwarovou aplikací pro ukládání naměřených dat. Jak bylo zmíněno v úvodu, SF6 je syntetická látka, která se v ovzduší přirozeně nevyskytuje. Její koncentrace v čerstvém přiváděném vzduchu (SUP) je v případě absence netěsnosti nulová, její přítomnost naopak značí netěsnost. CO2 je součástí atmosféry a jeho koncentrace se v důsledku mnoha vlivů v čase mění, a to v poměrně širokém rozmezí hodnot. V prostoru zkušební laboratoře byly změřeny koncentrace v rozsahu 380 až 580 ppm. Pro použití k detekci netěsností je třeba výrazně zvýšit koncentraci CO2 v odsávaném odpadním vzduchu (ETA), aby se netěsnost projevila nezpochybnitelným zvýšením koncentrace CO2 v čerstvém přiváděném vzduchu (SUP). Na základě zjištěného přirozeného rozmezí byla stanovena minimální hodnota koncentrace CO2 v odsávaném odpadním vzduchu (ETA) 1000 ppm a použité senzory měly rozsah do 10 000 ppm. Řešení přirozeného kolísání koncentrace CO2 spočívá v současném měření koncentrací ve třech sektorech (ETA, ODA a SUP) s využitím tří detektorů. Změřené koncentrace CO2 v čerstvém nasávaném vzduchu ODA jsou odečítány od koncentrací změřených v čerstvém přiváděném vzduchu SUP a rozdíl je úměrný netěsnosti mezi sektory.
Obr. 2 Výstupy detektorů z kalibračních plynů
Pro kontrolu stability a opakovatelnosti měření detektorů byl použit kalibrační plyn (CO2 v umělém vzduchu, tj. plynu o složení 21 % O2 a 79 % N2, s koncentracemi 400 a 1000 ppm). Všechny čtyři detektory (čtvrtý byl používán pro monitorování koncentrace CO2 v laboratoři) byly umístěny do uzavřeného boxu, do něhož byl napouštěn kalibrační plyn, který byl udržován v mírném přetlaku do 20 Pa. Průběh naměřených hodnot v čase dokládá obr. 2. Vyplývá z něj dlouhodobá (v řádu jednotek hodin) stabilita detektorů a rozložení naměřených hodnot ze všech detektorů v intervalu 20 ppm při koncentraci kalibračního plynu 400 ppm a 25 ppm při koncentraci kalibračního plynu 1000 ppm. Pro potvrzení opakovatelnosti bylo měření přerušeno, detektory vypnuty a znovu zapnuty. Dosažený výsledek potvrdil předešlé měření.
Obr. 3 Schéma aparatury pro měření homogenity značkovacího plynu
V dalším kroku byla sestavena jednoduchá pokusná aparatura dle obr. 3 zaměřená na prozkoumání homogenity značkovacího CO2 v proudícím vzduchu. Bylo použito vzduchotechnické potrubí o průměru 100 mm, pro přívod vzduchu axiální ventilátor. Průtok vzduchu byl měřen vrtulkovým anemometrem a dosahoval 270 m3/h.
Obr. 4 Nehomogenní rozdělení koncentrace značkovacího plynu a vliv dávkovaného množství v potrubí o průměru 100 mm
První výsledky měření v nejjednodušším uspořádání (dávkování CO2 hadičkou před ventilátorem, odběry buď v různých vzdálenostech za ventilátorem, nebo v jedné vzdálenosti po obvodu potrubí) ukázaly značnou nehomogenitu koncentrací CO2, navíc závislou na absolutní hodnotě koncentrace CO2, jak ukazuje graf na obr. 4 se záznamem měření 4 detektorů umístěných ve stejné vzdálenosti za ventilátorem v různých pozicích po obvodu potrubí. Vzhledem k vyšší hustotě CO2 oproti vzduchu byla očekávána jeho vyšší koncentrace ve spodní části potrubí, což bylo potvrzeno, ovšem pro koncentrace vyšší než 4100 ppm toto neplatí.
Obr. 5 Dosažená výsledná homogenita značkovacího plynu
Pro dosažení homogenity byla realizována řada postupných kroků, a to jak v oblasti dávkování CO2, tak v oblasti míchání. Jejich účinnost byla posuzována při shodném principu uspořádání experimentu na potrubí o průměrech 125 a 160 mm (podle dostupnosti usměrňovačů a homogenizátorů), kritériem pro hodnocení byla šířka intervalu, ve kterém leží naměřené hodnoty koncentrací. Dosažené výsledky jsou zobrazeny v grafu na obr. 5, který dokládá výrazné zlepšení homogenity CO2 v širokém rozsahu koncentrací.
Obr. 6 Schéma aparatury pro simulaci netěsnosti vzduchotechnického zařízení
Po vyřešení homogenního dávkování CO2 byla aparatura upravena tak, aby simulovala vzduchotechnické zařízení s vnitřní netěsností. Bylo použito vzduchotechnické potrubí o průměrech 125 mm (SUP) a 160 mm (ETA) a vhodný axiální ventilátor. Vrtulkovým anemometrem na jeho výstupu byl změřen průtok 350 m3/h. Netěsnost byla simulována propojením úseků potrubí ETA a SUP hadičkou dle obr. 6 a proudění vzduchu obohaceného kalibračním plynem ze sektoru ETA do sektoru SUP bylo zajištěno vytvořením většího podtlaku v sektoru SUP klapkou na sektoru ETA.
Obr. 7 Průběh koncentrací značkovacího plynu při simulaci netěsnosti
Následně byl proveden test detekce netěsnosti. Byl spuštěn ventilátor a detektory CO2. Bylo ověřeno, že po stabilizaci vykazují všechny 4 detektory hodnoty koncentrace v intervalu širokém 15 ppm. Poté bylo zahájeno dávkování CO2 do systému cestou ETA (odpadní odsávaný vzduch). Pokles koncentrace dodávaného CO2 patrný z grafu na obr. 5 je způsoben postupným snižováním průtoku redukčním ventilem v důsledku jeho ochlazení při vyšších (15 až 20 l/min) průtocích CO2.
Pro jeho stabilizaci byl v experimentu úspěšně použit redukční ventil se zabudovaným elektrickým ohřevem. Bezprostředně po zahájení dávkování CO2 do odpadního odsávaného vzduchu (ETA) detektor na pozici SUP (přívod čerstvého vzduchu do interiéru) zaregistroval důsledek uměle vytvořené netěsnosti. Systém byl ponechán beze změny více než 1 hodinu. Průběh měřených koncentrací CO2 dokumentuje graf na obr. 7.
Stanovení netěsnosti a nejistoty měření
Pro stanovení netěsnosti byly využity hodnoty naměřené ve 30minutovém úseku (180 změřených bodů).
Vzorec pro výpočet vnitřní netěsnosti vyjádřené veličinou EATR (Exhaust Air Transfer Ratio) je dle normy ČSN EN 308 definován jako:
(1)
kde c s příslušnými indexy jsou koncentrace značkovacího plynu v daných místech testovací aparatury [ppm].
Průměrné hodnoty naměřených a vypočítaných veličin ze 30minutového měřeného úseku jsou uvedeny v tab. 1, kde poslední sloupec obsahuje vypočítanou hodnotu vnitřní netěsnosti (EATR).
| ETA (11) (C11) | ODA (21) (C21) | SUP (22) (C22) | C22−C21 | C11−C21 | EATR | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Koncentrace CO2 [ppm] | 6271 | 447 | 604 | 157 | 5824 | 0,027 |
Norma ČSN EN 308 udává požadavky na rozšířené nejistoty měření koncentrací značkovacího plynu, a to formou vzorce, kde jako proměnné figurují jednotlivé koncentrace značkovacího plynu ve třech třídách přesnosti, viz tab. 2. Je zde také uveden požadavek na snížení hodnoty rozšířené nejistoty o 30 % v případě, že je pro měření použito více nezávislých měřidel, k čemuž v našem případě dochází.
| Koncentrace trasovacího plynu | Rozšířená nejistota měření pro třídu přesnosti 1 | Rozšířená nejistota měření pro třídu přesnosti 2 | Rozšířená nejistota měření pro třídu přesnosti 3 |
|---|---|---|---|
| C11 | 0,05 (C11−C21) | 0,10 (C11−C21) | 0,10 (C11−C21) |
| C21, C22 | 0,006 (C11−C21) | 0,01 (C11−C21) | 0,02 (C11−C21) |
| TP – třída přesnosti | |||
Určení rozšířených nejistot měření detektorem popsaným v experimentální části vychází z deklarace mezní chyby výrobcem detektoru ve tvaru:
Maximální povolené rozšířené nejistoty vypočítané pro jednotlivé třídy přesnosti podle vzorců v tab. 2 pro naměřené průměrné koncentrace značkovacího plynu (pro jedno i více měřidel) a rozšířené nejistoty stanovené na základě rovnice (2) jsou uvedeny v tab. 3.
| [ppm] | Rozšířená nejistota měření koncentrací dle požadavku normy pro jednotlivé třídy přesnosti | Rozšíření nejistota měření koncentrací – experiment | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TP1 | TP-S 1 | TP 2 | TP-S 2 | TP 3 | TP-S 3 | |||
| C11 | 6271 | 291 | 204 | 582 | 407 | 582 | 407 | 203 |
| C21 | 447 | 35 | 25 | 58 | 41 | 116 | 81 | 37 |
| C22 | 604 | 35 | 25 | 58 | 41 | 116 | 81 | 41 |
| TP – třída přesnosti TP-S – třída přesnosti snížená | ||||||||
Z porovnání maximálních, normou povolených nejistot vypočítaných dle vzorců v tab. 2 a rozšířených nejistot provedeného měření plyne, že metoda je využitelná pro měření v třídách přesnosti 2 a 3. Pro využití ve třídě přesnosti 1 je nutné snížit mezní chybu detektoru a tím rozšířené nejistoty měření.
Závěr
Provedené experimenty ukazují, že je možné CO2 využít jako značkovací plyn pro detekci netěsností. Jeho výhody jsou vyváženy nároky na provedení experimentu a detekci, ale tyto nároky je možné z technického hlediska splnit. Dosažené nejistoty měření umožňují dle informativních příkladů uvedených v normě ČSN EN 308 provádět:
- funkční testy komponent pro zpětné získávání tepla v laboratorních podmínkách
- výkonové testy a testy pro účely certifikace vzduchotechnických jednotek se zpětným získáváním tepla (s komponenty pro ZZT zabudovanými výrobcem do vzduchotechnické jednotky) v laboratorních podmínkách
- in-situ výkonové testy v reálných podmínkách
Zejména druhý bod pokrývá 90 % poptávky zkušební laboratoře po těchto typech měření, a proto je i s omezením na třídy přesnosti 2 a 3 metoda využitelná.
Použité zdroje
- ČSN EN 13141-7. Větrání budov – Zkoušení výkonu součástí/výrobků pro větrání obytných budov – Část 7: Zkoušení výkonu přiváděcích a odváděcích potrubních větracích jednotek pro nucené větrání (včetně zpětného získávání tepla). Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2021, 60 s. Třídící znak 127131.
- ČSN EN 308. Výměníky tepla – Zkušební postupy pro stanovení výkonnosti tepelně rekuperačních komponent vzduch-vzduch. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2022, 86 s. Třídící znak 696308.
- Nařízení Evropského parlamentu a Rady (EU) č. 517/2014 ze dne 16. dubna 2014 o fluorovaných skleníkových plynech a o zrušení nařízení (ES) č. 842/2006. In: Úřední věstník evropské unie. 2014, svazek 57, L 150, s. 195–230. ISSN 1977-0626. Dostupné z: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/PDF/?uri=CELEX:32014R0517&from=EN
The paper focuses on the experimental verification of the use of CO2 as a tracer gas for the detection of leakages in air handling systems, instead of the widely used tracer gas of sulphur hexafluoride (SF6), which is subject to legislative restrictions. Verification of the applicability of CO2 is accompanied by the definition of measurement uncertainties.
