Έλεγχος ποιότητας αέρα χώρων. Στόχος: Άνεση με χαμηλό λειτουργικό κόστος

Με αυτή τη στρατηγική ελέγχου, η μονάδα εξαερισμού ελέγχεται με βάση την ποιότητα του εσωτερικού αέρα, με στόχο τη βελτίωση της άνεσης διατηρώντας το κόστος λειτουργίας της εγκατάστασης όσο το δυνατόν χαμηλότερα.

Γράφει ο Κωνσταντίνος Βουτυράς, Εμπορικός Διευθυντής τμήματος “Energy & Automation”

Ποιότητα αέρα εσωτερικών χώρων (IAQ)

Η συντομογραφία IAQ (Ποιότητα Εσωτερικού Αέρα) είναι μια διεθνώς αποδεκτή συντομογραφία. Χρησιμοποιήθηκε κυρίως από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας (ΠΟΥ) και την Αμερικανική Εταιρεία Μηχανικών Θέρμανσης, Ψύξης και Κλιματισμού (ASHRAE) και ως εκ τούτου εμφανίζεται στα σχετικά πρότυπα και οδηγίες.
Η χρήση συστήματος ελέγχου της ποιότητας του αέρα βάσει της ζήτησης εξασφαλίζει άνεση σε εσωτερικούς χώρους, λαμβάνοντας υπόψη την ποιότητα αέρα εσωτερικών χώρων ως μεταβλητή ελέγχου στη στρατηγική ελέγχου.

Οφέλη

Τα οφέλη του ελέγχου της ποιότητας του αέρα βάσει της ζήτησης είναι:

• Η καλή ποιότητα αέρα μειώνει το SBS (Σύνδρομο Άρρωστου Κτιρίου)
  Αυξάνει την παραγωγικότητα του προσωπικού, μειώνει τις απουσίες λόγω κακής υγείας. Η αύξηση της παραγωγικότητας κατά μόλις 1% μπορεί να δικαιολογήσει αύξηση κατά 50% των επενδύσεων για συστήματα θέρμανσης και εξαερισμού. Μελέτες έχουν δείξει ότι οι υπάλληλοι γραφείου που επηρεάζονται από το SBS εργάζονται έως και 10% πιο αργά και κάνουν έως και 30% περισσότερα σφάλματα.
• Η συγκέντρωση βελτιώνεται όταν η περιεκτικότητα σε CO2 στον αέρα είναι επαρκώς χαμηλή —–> Σημαντική στις αίθουσες διδασκαλίας και τα κτίρια γραφείων
• • Οι άνθρωποι περνούν περισσότερο χρόνο σε εστιατόρια και εμπορικά κέντρα με καλή ποιότητα αέρα ——> Αυξημένος κύκλος εργασιών
• Η εγκατάσταση λειτουργεί αυτόματα με βάση την ποιότητα του αέρα εσωτερικών χώρων ——> Δεν χρειάζεται το προσωπικό να ασχολείται με το σύστημα, κανένα πρόβλημα με τον εξαερισμό που ενεργοποιείται πολύ αργά ή παραμένει ανοιχτός για πολύ καιρό (π.χ. σε εστιατόρια)

Εξοικονόμηση ενεργειακού κόστους

Μπορεί να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση ενεργειακού κόστους (30% έως 50% σε ορισμένες περιπτώσεις, βάσει στοιχείων από διάφορες μελέτες). Αυτό εξηγείται κυρίως από δύο παράγοντες:

• Η μονάδα λειτουργεί μόνο όταν είναι απαραίτητο ——>Εξοικονόμηση που πραγματοποιείται σε σχέση με την προετοιμασία του εξωτερικού αέρα (π.χ. με θερμαντικό ή ψυκτικό στοιχείο)
• Η κατανάλωση ενέργειας των ανεμιστήρων μειώνεται σημαντικά (π.χ. με έλεγχο των ταχυτήτων ή έλεγχο μέσω αναλογικής ρύθμισης ταχύτητας μέσω inverter), καθώς η κατανάλωση ενέργειας μεταβάλλεται ανάλογα με τον κύβο του όγκου του αέρα.

Μετρούμενες μεταβλητές CO2, VOC

Η ποιότητα του αέρα μετράται με δύο διαφορετικές μεταβλητές:

• Co2 (διοξείδιο του άνθρακα)

• Μικτά αέρια/VOC  (Πτητικές Οργανικές Ενώσεις)

CO2 (διοξείδιο του άνθρακα)

Το CO2 είναι ένα άοσμο αέριο που είναι προϊόν καύσης (π.χ. πετρέλαιο θέρμανσης, βενζίνη) και επίσης της αναπνοής. Το CO2 είναι μια σημαντική μεταβλητή σε σχέση με την ποιότητα αέρα σε εσωτερικούς χώρους, επειδή οι άνθρωποι παράγουν CO2 όταν εκπνέουν, αυξάνοντας έτσι τη συγκέντρωση CO2 στους χώρους ——> Η συγκέντρωση CO2 σε ένα χώρο είναι ένας δείκτης του αριθμού των ατόμων στο χώρο.

Το CO2 έχει επίσης επιπτώσεις στην υγεία (η αναπνοή μας ελέγχεται από την περιεκτικότητα σε CO2) και ως εκ τούτου η αίσθηση της ευημερίας και η ικανότητά μας να συγκεντρωθούμε επηρεάζονται όταν ξεπερνιούνται ορισμένα επίπεδα συγκέντρωσης

Το CO2 μετράται σε όγκο % ή p.p.m (μέρη ανά εκατομμύριο)

Η περιεκτικότητα σε CO2 στον κανονικό εξωτερικό αέρα είναι περίπου 0.033 % του όγκου ή 330 p.p.m.

Συγκέντρωση [ppm]
330	Συγκέντρωση στον κανονικό εξωτερικό αέρα
1000	Κατά την είσοδό του σε ένα χώρο, το 20% των ανθρώπων θα είναι δυσαρεστημένοι με την επικρατούσα ποιότητα αέρα
1.500	Οριακή τιμή όπως καθορίζεται στο DIN1946
2.000	Ευαίσθητα άτομα παραπονιούνται για πονοκεφάλους
4.000	Μέγιστη τιμή σε μια τάξη στο τέλος των μαθημάτων
5.000	Μέγιστη αποδεκτή τιμή συγκέντρωσης στο χώρο εργασίας
100.000	Αρκετή για να σβήσει ένα κερί στο δωμάτιο και να προκαλέσει απώλεια συνείδησης

Εικόνα. 3-11 Co2 Επίπεδα συγκέντρωσης και οριακές τιμές

Co2 ή CO;

Το CO2 δεν πρέπει να συγχέεται με το CO (μονοξείδιο του άνθρακα), το οποίο προκύπτει ως αποτέλεσμα της ατελής καύσης (π.χ. στα καυσαέρια αυτοκινήτων) και το οποίο, σε αντίθεση με το CO2,είναι τοξικό ακόμη και σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις. Το CO πρέπει να μετράται σε όλους τους χώρους όπου θα μπορούσε να συμβεί σε επικίνδυνα επίπεδα συγκέντρωσης (π.χ. εσωτερικοί χώροι στάθμευσης). Αυτές οι μετρήσεις, αποτελούν μέρος ενός συστήματος προειδοποίησης κινδύνου και όχι ενός συστήματος ελέγχου.

Μεικτά αέρια / VOC

Οι πηγές μεικτών αερίων /VOC είναι:

• Άνθρωποι, ειδικά οι καπνιστές
• Εκπομπές από έπιπλα και υφάσματα κλπ.
• Συστήματα εξαερισμού, ειδικά αν αυτά δεν συντηρούνται επαρκώς

Τα μεικτά αέρια (οσμές) είναι πολύ πιο δύσκολο να μετρηθούν από το CO2. Δεν υπάρχει αισθητήριο στον κόσμο που να μπορεί να αντικαταστήσει πλήρως την ανθρώπινη μύτη. Οι πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC) ευθύνονται κυρίως για την κακή ποιότητα του αέρα. Οι δυσκολίες που προκύπτουν με τη μέτρηση των είναι:

• Διαφορετικοί συντελεστές στάθμισης εφαρμόζονται σε διαφορετικές οσμές (όπως ο καπνός του τσιγάρου ή οι εκπομπές από έπιπλα και υφάσματα), και αυτές δεν αντιστοιχούν απαραίτητα στην εμπειρία της ανθρώπινης μύτης.
• Η μέτρηση εξαρτάται από τη σύγκριση μεταξύ του εσωτερικού και του εξωτερικού αέρα. Αυτό είναι ένα πρόβλημα, εάν η ποιότητα του εξωτερικού αέρα είναι κακή.

Χωρίς περαιτέρω επεξεργασία σήματος, ωστόσο, οι διαθέσιμοι αισθητήρες VOC δεν είναι επαρκώς ακριβείς ή αξιόπιστοι για χρήση σε εφαρμογές διαχείρισης αέρα, καθώς πρέπει να είμαστε σε θέση να μετρήσουμε ακόμη και τις ελάχιστες συγκεντρώσεις του VOC. Ωστόσο, με έναν έξυπνο αλγόριθμο, η συγκέντρωση VOC μπορεί να προσαρμοστεί στην τρέχουσα ποιότητα του παρεχόμενου αέρα και στη συνέχεια μπορούμε να μετρήσουμε ακόμη και πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις VOC αξιόπιστα και σταθερά.
Σήμερα, ο συνδυασμός μετρήσεων CO2/VOC θεωρείται σαν η βέλτιστη λύση για τον έλεγχο ποιότητας αέρα

Επεξεργαστής ζήτησης εξαερισμού

Ο επεξεργαστής ζήτησης εξαερισμού είναι ένα ζωτικό στοιχείο ενός συστήματος ελέγχου της ποιότητας του αέρα βάσει ζήτησης. Καταγράφει τα δύο σήματα αισθητήρων (σήμα CO2 και VOC) και τα επεξεργάζεται για να δώσει ένα σήμα απαίτησης εξαερισμού.

Το σήμα ζήτησης εξαερισμού είναι το αποτέλεσμα επιλογής της μέγιστης τιμής από το σήμα CO2 και μετά το φιλτράρισμα στον επεξεργαστή, του σήματος του αισθητήρα VOC.

Η ζήτηση εξαερισμού υποδεικνύεται από σήμα 2…10 V, που αντιστοιχεί σε εύρος CO2 400…2.000 p.p.m. Η επίδραση της ζήτησης εξαερισμού VOC στη μέγιστη επιλογή σε σχέση με τη ζήτηση εξαερισμού με βάση το CO2 είναι μια τροποποιήσιμη τιμή ισοδύναμη με ± 200 p.p.m CO2.

Πλεονέκτημα

Η χρήση ξεχωριστού επεξεργαστή ζήτησης εξαερισμού σημαίνει ότι ο πολύπλοκος αλγόριθμός του δεν χρειάζεται να επαναπρογραμματίζεται επανειλημμένα και εξασφαλίζει υψηλό επίπεδο ελέγχου της ποιότητας αέρα.

Αρχή λειτουργίας

Η ζήτηση ανανέωσης αέρα ανιχνεύεται με διπλό αισθητήριο αερίων CO2/ (VOC) (1). Το σήμα ζήτησης ανανέωσης αέρα υπολογίζεται από έναν ξεχωριστό επεξεργαστή ζήτησης εξαερισμού (2). Το σήμα ζήτησης εξαερισμού μεταδίδεται στον ελεγκτή ποιότητας αέρα (3). Ταυτόχρονα, λαμβάνονται σήματα ζήτησης από το σύστημα ελέγχου ανεμιστήρων (4), π.χ. από χρονοπρογράμματα, αισθητήρια παρουσίας κ.λπ.). Ένας επιλογέας μέγιστης τιμής (5) επιλέγει πάντα το υψηλότερο από τα δύο σήματα και το μεταδίδει στους ανεμιστήρες. Το σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας χρησιμοποιεί το αισθητήριο θερμοκρασίας δωματίου (6) και τον ελεγκτή θερμοκρασίας (7) για να καθορίσει ένα σήμα ζήτησης για θέρμανση/ψύξη. Το σήμα αυτό συγκρίνεται με το σήμα ζήτησης ελέγχου ποιότητας αέρα για τα διαφράγματα του κιβωτίου μείξης αέρα και επιλέγεται το υψηλότερο από τα δύο σήματα (8) και μεταδίδεται στο στοιχείο θέρμανσης ή ψύξης.

Στρατηγικές ελέγχου ποιότητας αέρα

Χρησιμοποιούνται διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου της ποιότητας του αέρα ανάλογα με το αν το σύστημα είναι εφοδιασμένο με κιβώτιο μείξης (α) ή έχει σχεδιαστεί για λειτουργία μόνο με νωπό αέρα (β). Τρεις κοινοί τύποι συστημάτων με τις σχετικές στρατηγικές ελέγχου αναλύονται παρακάτω. Αυτά είναι τα εξής:

• Σύστημα με ανεμιστήρες δύο ταχυτήτων και ανάμειξη του αέρα ανακυκλοφορίας
• Σύστημα νωπού αέρα με ανεμιστήρες δύο ταχυτήτων
• Σύστημα με ανεμιστήρες μεταβλητής ταχύτητας

Αυτές οι στρατηγικές ελέγχου της ποιότητας του αέρα χρειάζονται επίσης ένα βρόχο ελέγχου θερμοκρασίας (π.χ. ελεγκτής 7 στο Εικ. 3-15, του οποίου η λειτουργία έχει ήδη περιγραφεί).

Εγκαταστάσεις με ανεμιστήρες δύο ταχυτήτων και κιβώτιο μίξης

• • Εάν η ποιότητα του αέρα επιδεινωθεί, το σύστημα μεταβαίνει αρχικά στο πρώτο στάδιο του ανεμιστήρα (I)
• • Το διάφραγμα νωπού αέρα πηγαίνει στην προκαθορισμένη ελάχιστη θέση και ανοίγει αναλογικά ως αντίδραση σε περαιτέρω επιδείνωση της ποιότητας αέρα.
• • Η δεύτερη ταχύτητα ανεμιστήρα (II) δεν είναι ενεργοποιημένη μέχρι να ανοίξει το διάφραγμα
• • Σε χαμηλές εξωτερικές θερμοκρασίες, μπορεί να εφαρμοστεί ένα ανώτατο όριο στην παροχή εξωτερικού αέρα (max.) για να εξασφαλιστεί ότι το στοιχείο θέρμανσης μπορεί να επιτύχει την απαιτούμενη θερμοκρασία αέρα προσαγωγής.

Σύστημα αέρα με ανεμιστήρες δύο ταχυτήτων

• Εάν η ποιότητα του αέρα επιδεινωθεί, το σύστημα μεταβαίνει στην πρώτη ταχύτητα ανεμιστήρα (I)
• Η δεύτερη ταχύτητα ανεμιστήρα (II) ενεργοποιείται εάν η ποιότητα του αέρα επιδεινωθεί περαιτέρω.

Σύστημα με ανεμιστήρες μεταβλητής ταχύτητας

• Εάν η ποιότητα επιδεινωθεί, η μονάδα ενεργοποιείται. Αυτό ενεργοποιεί τον ανεμιστήρα (I) που λειτουργεί με την ελάχιστη ταχύτητα.
• Το διάφραγμα εξωτερικός αέρα ανοίγει 100 %
• Εάν η ποιότητα του αέρα επιδεινωθεί περαιτέρω, η ταχύτητα του ανεμιστήρα αυξάνεται αναλογικά (σήμα ελέγχου y)

Στρατηγικές ενεργοποίησης

Ένα σύστημα που λειτουργεί με τη χρήση ελέγχου της ποιότητας του αέρα βάσει της ζήτησης μπορεί να ενεργοποιείται και να απενεργοποιείται σύμφωνα με διάφορα κριτήρια. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει ένα σύστημα 24 ωρών, με διάφορες στρατηγικές για την ενεργοποίηση/ απενεργοποίηση της εγκατάστασης.

Πιθανοί λόγοι για την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση της μονάδας είναι οι εξής:

Συνολική περίοδος παρουσίας

Εντός της συνολικής περιόδου παρουσίας, υπάρχουν συνήθως άνθρωποι στο κτίριο. Εδώ, ο ρόλος του ελέγχου βάσει ζήτησης είναι να εξασφαλίζει συνθήκες άνεσης (καλή ποιότητα αέρα).

Προ-εξαερισμός

Είναι σημαντικό να διασφαλιστεί η καλή ποιότητα του αέρα σε ένα χώρο προτού να είναι κατειλημμένο. Η διάρκεια της λειτουργίας προ αερισμού μπορεί να προσδιοριστεί (περίπου δύο εναλλαγές αέρα) και πρέπει να τερματιστεί κατά την έναρξη της πληρότητας. Κατά τη διάρκεια της περιόδου προ-εξαερισμού, το σύστημα λειτουργεί με την υψηλότερη ταχύτητα ανεμιστήρα με 100% εξωτερικό αέρα.

Μετά τον εξαερισμό

Η λειτουργία μετά τον εξαερισμό (ή «εκκαθάριση» στο τέλος της πληρότητας) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αποτρέψει τη συσσώρευση δυσάρεστων οσμών σε υφάσματα και έπιπλα εκτός των ωρών παρουσίας. Ο μετα-αερισμός ξεκινά στο τέλος της πληρότητας εάν ο αισθητήρας ποιότητας αέρα υποδεικνύει ζήτηση ανανέωσης αέρα. Τελειώνει το αργότερο μετά από μια περίοδο που ορίζεται από τον χρήστη.

Εξαναγκασμένος εξαερισμός (Χειροκίνητο ON)

Εντός και εκτός της περιόδου κατάληψης του χώρου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα κουμπί για να ενεργοποιήσει το σύστημα εξαερισμού για ένα περιορισμένο χρονικό διάστημα. Κατά τη διάρκεια της περιόδου αναγκαστικού εξαερισμού, το σύστημα λειτουργεί με την υψηλότερη ταχύτητα ανεμιστήρα, με 100% εξωτερικό αέρα.

Αισθητήριο παρουσίας

Σε δωμάτια που δεν χρησιμοποιούνται τακτικά ακόμη και κατά τη διάρκεια της συνολικής περιόδου πληρότητας, οι αισθητήρες παρουσίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση της παρουσίας ανθρώπων. Το σύστημα εξαερισμού που βασίζεται στη ζήτηση ενεργοποιείται μόνο εάν ο αισθητήρας παρουσίας υποδεικνύει ότι υπάρχουν άτομα στο δωμάτιο.

Συντονισμός με το σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας δωματίου

Λειτουργώντας ανεξάρτητα από το σύστημα εξαερισμού που βασίζεται στη ζήτηση, ο ελεγκτής θερμοκρασίας υποχρεούται να προσδιορίσει εάν επιτυγχάνεται ή όχι θερμική άνεση και να ενεργοποιήσει το σύστημα σε περίπτωση ζήτησης θέρμανσης ή ψύξης.

Σημείωση: To παραπάνω άρθρο βασίστηκε σε βιβλιογραφία της Siemens

Image by freepik.com