Řízení ventilátoru podle koncentrace CO₂

Spotřeba energie při provozu vzduchotechniky může být významně snížena díky návrhu účinných vzduchotechnických systémů s nízkým příkonem ventilátorů, a tím pádem i jejich nízkou hlučností. V případě provozu ventilátorů se jedná o prvek, který je trvale v provozu a je tedy vhodné se snažit snižovat jeho spotřebu na více úrovních. Přestože se daří účinnost ventilačních systémů zvyšovat, je zatím obecně poměrně nízká.

Spotřebu energie na činnost ventilátorů je možné významně snížit rozumným dimenzováním intenzity výměny vzduchu, a to snížením požadovaného množství vzduchu (nepředimenzovávat dávky vzduchu na osoby, chladit nebo vytápět jiným než vzduchovým systémem) a použitím účinných (efektivně navržených) rozvodů vzduchu. Účinné rozvody vzduchu snižují nepotřebné nadměrné větrání díky použití vzduchotěsných potrubí, respektování principů proudění vzduchu (např. omezení zkratového proudění apod.).

Možná nejdůležitějším opatřením je snížení odporu proudění, a tudíž tlaku ventilátoru. To je dosažitelné aerodynamickým návrhem potrubních rozvodů (včetně optimálního umístění strojovny a stoupaček, aby se snížila délka potrubí), velkorysejším dimenzováním prvků v potrubních rozvodech a zvětšením velikosti VZT jednotky.

Je třeba optimalizovat účinnost VZT soustavy (včetně ventilátoru, pohonu, motoru a pohonu s proměnnými otáčkami, tj. minimalizovat celkové ztráty při zajišťování potřebného průtoku vzduchu a tlakových podmínek). Je potřeba zabránit předimenzování, protože účinnost ventilátoru může významně klesnout, pokud kombinace průtoku vzduchu a dopravního tlaku neleží blízko kombinace dosahující nejvyšší účinnosti. Účinnosti motoru a pohonu mohou výrazně poklesnout také při nízkém zatížení. Proto předimenzování a proměnné zatížení představují klíčové faktory ovlivňující účinnost systému. nicméně potenciál úspory lze zvyšovat i vhodným algoritmem řízení provozu ventilátoru.

Tento článek se zaměřuje zejména na zmíněné řízení provozu ventilátoru.

Popis modelu místnosti a zvoleného typu ventilátoru

Pro popis vlivu řízení výkonu ventilátoru na koncentraci CO₂ byla uvažovaná vzorová místnost. V matematickém modelu je uvažováno s výpočtem větrání pro místnost typu školní učebna. Rozměrové charakteristiky jsou šířka místnosti 21,0 m, délka místnosti 13,3 m, výška místnosti 3,8 m. Objem místnosti je 1 061 m³, maximální počet 40 osob.

Pro zavedení proměnného výskytu lidí v místnosti, byl procentuálně rozdělen výskyt osob podle rozdělení uvedeném na obr. 1.

Bylo uvažováno s přirozeným větráním místnosti infiltrací okny v době, kdy není spuštěno nucené větrání. Pro výpočet jeho intenzity byly zvoleny níže uvedené charakteristiky.

Obr. 1 Procentuální rozložení výskytu lidí v místnosti

Maximální venkovní teplota v průběhu dne 30 °C, amplituda kolísání venkovní teploty 8 K. Maximální teplota interiéru 26 °C, dovolená amplituda kolísání vnitřní teploty 1,5 K. Výška okna 2,1 m, šířka okna 1,8 m, počet oken 4 ks. Součinitel spárové průvzdušnosti oken 0,0003 m²s^-1mPa^-0,67, návětrný tlakový součinitel 0,6, rychlost větru 2,00 m/s.

Ve výpočtu byl uvažován radiální ventilátor. Tradičně je oběžné kolo vloženo do spirální skříně, která zajišťuje energeticky efektivní přeměnu kinetické energie proudícího vzduchu na tlakovou. V souvislosti s aplikacemi nových EC motorů můžeme sledovat rozšíření radiálních ventilátorů s „volným oběžným kolem“, kde je spirální skříň nahrazena přímo komorou VZT jednotky. Tato úprava soustrojí ventilátor-motor značně zmenšuje a zlevňuje, ovšem za cenu aerodynamických vlastností. Proudění vzduchu ve spirální skříni znázorňuje obr. 2.

Obr. 2 Proudění vzduchu radiálním ventilátorem se spirální skříní [1]

Výpočetní model a popis variant řešení provozu ventilátoru

Výpočetní model místnosti je uvažován jako model analytický.

Kde:
	je hmotnost škodliviny přivedené do místnosti vzduchem potřebným při větrání za čas dτ,
	je hmotnost škodliviny ze zdroje v místnosti za čas dτ,
	je hmotnost škodliviny odvedené z místnosti vzduchem potřebným při větrání za čas dτ,
	je přírůstek hmotnosti škodliviny ve vzduchu v místnosti.

Koncentrace CO₂ pro nestacionární okrajové podmínky má podobu:

kde:
	je koncentrace CO2 venkovního vzduchu,
	je koncentrace CO2 vnitřního(odváděného) vzduchu,
	je koncentrace CO2 doporučená,
	je hmotnost škodlivin (CO2),
	je nucené větrání,
	je objem místnosti,
	je časový interval výpočtu.

Níže jsou popsány uvažované modely řízení ventilátoru v analytickém výpočtu:

Varianta 1 – minimální interval spuštění ventilátoru 5 min, ventilátor se sepne při naměřené koncentraci CO₂ 900 ppm, typ regulace: on/off.

Varianta 2 – minimální interval spuštění ventilátoru 30 min, ventilátor se sepne při naměřené koncentraci CO₂ 900 ppm, typ regulace: on/off.

Varianta 3 – minimální interval spuštění ventilátoru 5 min, ventilátor se sepne při naměřené koncentraci CO₂ 900 ppm a vypne až po dosažení koncentrace CO₂ 600 ppm, typ regulace: on/off.

Varianta 4 – minimální interval spuštění ventilátoru 5 min, ventilátor se sepne při naměřené koncentraci CO₂ 900 ppm a vypne až po dosažení koncentrace CO₂ 600 ppm, typ regulace: skoková (2 ventilátory regulované on/off).

Obr. 3 Grafické rozložení řízení výkonu ventilátoru, z leva: lineární, kvadratické – konvexní, kvadratické konkávní

Varianta 5 – minimální interval spuštění ventilátoru 5 min, ventilátor se sepne při naměřené koncentraci CO₂ 900 ppm a vypne až po dosažení koncentrace CO₂ 600 ppm, typ regulace: plynulá regulace (průtok vzduchu se řídí lineárně podle koncentrace CO₂).

Varianta 6 – minimální interval spuštění ventilátoru 5 min, ventilátor se sepne při naměřené koncentraci CO₂ 900 ppm a vypne až po dosažení koncentrace CO₂ 600 ppm, typ regulace: plynulá regulace (průtok vzduchu se řídí kvadraticky – konvexně podle koncentrace CO₂).

Varianta 7 – minimální interval spuštění ventilátoru 5 min, ventilátor se sepne při naměřené koncentraci CO₂ 900 ppm a vypne až po dosažení koncentrace CO₂ 600 ppm, typ regulace: plynulá regulace (průtok vzduchu se řídí kvadraticky – konkávně podle koncentrace CO₂).

Výsledky

Prezentace výsledků je provedena pomocí grafů. Na obr. 4. je graf průběhu stoupající koncentrace CO₂ při výskytu lidí (oranžová barva).

Obr. 4 Grafické znázornění průběhu snižování koncentrace CO₂, při variantě provozu ventilátoru 1

Při zvýšení koncentrace nad 900 ppm se spustí ventilátor (světle modrá barva). Uvedené výsledky reprezentují variantu regulace on/off s minimálním intervalem provozu 5 min. Na grafu je tedy vidět časté spínaní vzduchotechniky.

Obr. 5 Grafické znázornění průběhu snižování koncentrace CO₂, při variantě provozu ventilátoru 2

Graf na obrázku 5 reprezentuje přizpůsobení výkonu ventilátoru kvadratickou závislostí na koncentraci CO₂. Je vidět, že ventilátor je v provozu kontinuálně, ale výkon se přizpůsobuje aktuální koncentraci CO₂, příkon ventilátoru je tedy nižší, než kdyby byl sepnutý na plný výkon.

Na obrázku 6 jsou souhrnné výsledky provozu pro varianty řízení ventilátoru 1–7.

Obr. 6 Grafické znázornění průběhu snižování koncentrace CO₂, při variantě provozu ventilátoru 1–7

Souhrnné výsledky provozu ventilátorů za den, měsíc a rok podle modelu jsou uvedeny na obrázku 7.

Obr. 7 Doba provozu ventilátoru pro jednotlivé provozní režimy 1–7

Ekonomické zhodnocení je uvedeno na obr. 8. Při zpracování tohoto grafu byla uvažována cena 0,17 eur/kWh elektrické energie.

Příkon ventilátorů byl určen z charakteristik výrobce ventilátoru.

Obr. 8 Cena za rok provozu ventilátoru pro jednotlivé varianty a procentuální úspora ve srovnání s nejdražší variantou

Závěr

Z výsledků je patrné, že největších úspor je dosaženo u varianty 6, což je řízení ventilátoru podle kvadratické závislosti v konvexním tvaru. Je však nutné dodat, že jako jediná tato metoda překročila doporučenou koncentraci CO₂. Je to z toho důvodu, že náběh ventilátoru je svým charakterem velmi pomalý a na vyšší výkon začíná ventilátor plně spouštět až při vyšších koncentracích CO₂. Kompromisem mezi výkonem, úsporou a výsledkem koncentrace CO₂ je z představených variant varianta č. 7, řízení ventilátoru podle kvadratické závislosti v konkávním tvaru. V tomto případě dokáže ventilátor místnost účinně odvětrat a cena za provoz ventilátoru je jen o 13 % vyšší než u nejekonomičtější varianty č. 6.

Závěr je vytvořený pro jednu určitou situaci (výskyt lidí, velikost místnosti atd.). Vzhledem k charakteru problému stoupající koncentrace a reakce vzduchotechnického systému na ní je možné předpokládat, že když se provozní hodiny ventilátoru budou měnit, poměr mezi jednotlivými variantami se bude měnit také. Celková cena za roční provoz ventilátoru uvažovaném ve výpočtu není příliš vysoká. Tato situace je dána tím, že je uvažován pouze jeden ventilátor s poměrně malým průtokem pro jednu místnost. Pro objekty typu škola, nemocnice apod. by v součtu všech ventilátoru byla úspora mnohem významnější.

Článek vznikl za podpory projektu specifického výzkumu č. FAST-S-19-5863.

Literatura

• DWEYER Tim: Fans for ducted ventilation systems in Icibse journal, online [https://www.cibsejournal.com/cpd/modules/2011-12/]
• European Standard EN 15239. Ventilation for buildings – Energy performance of buildings – Guidelines for inspection of ventilation systems
• Nilsson, L.J. ‘Air-handling energy efficiency and design practices’, Energy & Buildings, Vol. 22 (1995), pp. 1–13
• Schild, P. G. ‘Ductless ventilation – Refurbishing an old listed building into modern energy-efficient offices’. In Indoor Air 2008, proceedings. 2008, paper ID 646
• Overview of reports from the EU-RESHYVENT project on residential hybrid ventilation. Literature list 33, www.aivc.org
• Hydeman, Taylor, Stein, Kolderup & Tong. ‘Advanced Variable Air Volume System Design Guide’, CEC Report P500-03-082-A-11, October 2003
• Liu, Claridge & Deng. ‘An air filter pressure loss model for fan energy calculation in air handling units’. Int. J. of Energy Research, Vol. 27 (2003), No. 6, Pp. 589–600
• de Almeida, A. T.; P. Angers; C. U. Brunner; M. Doppelbauer. Motors with Adjustable Speed Drives: Testing Protocol and Efficiency Standard. 2009