Regulace větrání podle kvality vnitřního vzduchu
1. část: Snímač
Kvalita vzduchu v interiéru závisí zejména na kvalitě vnějšího ovzduší, objemu vzduchu, který připadá na osobu v místnosti, výměně vzduchu a množství vzdušných škodlivin. Jejich zdrojem jsou obyvatelé a jejich metabolismus či fyzické aktivity, stavební materiály, práce při čištění a údržbě interiérů, ale i špatně udržované technická zařízení v budovách. Základní úlohou řídicího systému větrání a klimatizace budov je zajistit dodávku takového množství čerstvého vzduchu do prostoru, která v daném okamžiku splňuje aktuální požadavky na kvalitu vnitřního prostředí. Při návrhu systému regulace podle kvality vnitřního vzduchu je velmi důležitá i volba snímače.
Škodliviny vo vnútornom ovzduší [1, 4]
Medzi škodliviny, ktoré sa vyskytujú vo vnútornom ovzduší patria oxid uhličitý CO2, oxid uhoľnatý CO, ozón O3, oxidy síry SOx, oxidy dusíka NOx a prchavé organické látky (VOC).
Oxid uhličitý CO2
Oxid uhličitý je najbežnejším kontaminantom vnútorného ovzdušia, jeho koncentrácia je vnútri vždy vyššia ako vonku. Zdrojom oxidu uhličitého je predovšetkým človek, jeho metabolizmus a dýchacie a termoregulačné procesy. Hlavnou príčinou zvyšovania koncentrácie tohto plynu je počet ľudí v miestnosti, veľkosť priestoru a nedostatočné vetranie. Oxid uhličitý vzniká aj (spolu s vodnou parou) pri spaľovaní tuhých palív. Dôsledkom jeho zvýšeného výskytu je ospalosť, letargia, únava, bolesti hlavy, pokles schopnosti koncentrácie a výkonnosti človeka.
| Koncentrácia CO2 | Charakteristika (následky) |
|---|---|
| 360 - 400 ppm | čerstvý vzduch v prírode |
| 800 - 1 000 ppm | odporúčaná úroveň CO2 vo vnútorných priestoroch |
| viac ako 1 000 ppm | príznaky únavy a znižovania koncentrácie |
| 5 000 ppm | maximálna koncentrácia bez zdravotných rizík |
| 35 000 - 50 000 ppm | vydychovaný vzduch dospelého človeka |
Tab. 1 Koncentrácia CO2 a zdravotné následky
Oxid uhoľnatý CO
Je to bezfarebný toxický plyn bez chuti a zápachu, ktorý vzniká pri spaľovaní uhlíkatých látok pri nedostatočnom množstve kyslíka, najmä pri prevádzke motorových vozidiel a pri fajčení. Zvýšená koncentrácia spôsobuje zdravotné problémy ako bolesti hlavy, únavu, nevoľnosť, dýchacie ťažkosti, zvracanie, bezvedomie až smrť. V tab. 2 sú uvedené zdravotné problémy pri rôznych koncentráciách CO v ovzduší. Koncentrácia je uvedená v jednotkách ppm bežne uvádzaných v európskych normách ako počet molekúl danej látky v jednom milióne.
| Koncentrácia CO | Charakteristika (následky) | |
|---|---|---|
| 30 ppm | 0,003 % | maximálna možná koncentrácia CO na pracovisku počas pracovnej zmeny |
| 200 ppm | 0,02 % | slabá bolesť hlavy za 2 až 3 hodiny |
| 400 ppm | 0,04 % | bolesť hlavy za 1 až 2 hodiny - najprv v oblasti čela a sluchu, neskôr sa bolesť rozšíri do celej hlavy |
| 800 ppm | 0,08 % | závrat, nevoľnosť a kŕče končatín do 45 minút, bezvedomie do 2 hodín |
| 1 600 ppm | 0,16 % | bolesť hlavy, nevoľnosť, závrat do 20 minút, smrť do 2 hodín |
| 3 200 ppm | 0,32 % | bolesť hlavy, nevoľnosť, závrat do 5 až 10 minút, smrť do 30 minút |
| 6 400 ppm | 0,64 % | bolesť hlavy, nevoľnosť, závrat do 1 až 2 minút, smrť do 10 až 15 minút |
| 12 800 ppm | 1,28 % | smrť do 1 až 3 minút |
Tab. 2 Zdravotné problémy pri rôznych koncentráciách CO v ovzduší
Ozón O3
Ozón tvorí prirodzenú súčasť zemskej atmosféry. Nachádza sa vo výške asi 30 km nad zemou a pôsobí ako filter UV žiarenia. Jeho zvýšený výskyt v nižších sférach ovzdušia, kde je hlavnou súčasťou smogu, je však nežiaduci. Je to toxický a extrémne agresívny stopový plyn, ktorého zvýšená koncentrácia spôsobuje rozsiahle poškodenia dýchacieho ústrojenstva.
Oxidy síry SOx
Oxidy síry vznikajú ako produkt pri spaľovaní palív s obsahom síry. Hlavnou príčinou zvýšenej koncentrácie v budovách je vonkajšie ovzdušie v oblastiach s tepelnými elektrárňami, teplárňami a priemyselnými kotolňami. K typickým zdravotným účinkom patrí dráždenie horných dýchacích ciest a následný vznik respiračných chorôb.
Oxidy dusíka NOx
Základným zdrojom oxidov dusíka sú emisie z automobilovej dopravy a zo zdrojov tepla spaľujúcich fosílne palivá pri vysokých teplotách. Na zdravie človeka má negatívny vplyv zvýšený výskyt dvoch typov, ktoré sa nachádzajú vo vnútornom prostredí, a to oxidu dusičitého NO2 a oxidu dusného NO. Oxid dusičitý poškodzuje dolné dýchacie cesty a pľúca, vysoká koncentrácia vedie k edému pľúc a následnej smrti. Oxid dusný znižuje množstvo hemoglobínu v krvi.
Prchavé organické látky (VOC)
Prchavé organické látky sa dostávajú do pobytových priestorov v dôsledku uvoľňovania zo stavebných materiálov a výrobkov na báze drevotriesky, penových tepelnoizolačných materiálov, podlahových krytín, čalúnenia, ako aj z rôznych produktov využívaných v domácnostiach (náterov, farieb, lakov, rozpúšťadiel, lepidiel, čistiacich, dezinfekčných a kozmetických prípravkov). Zdrojom týchto látok sú aj rozličné činnosti človeka (fajčenie, varenie, upratovanie, pranie, kúrenie, ale aj osobná hygiena). V administratívnych budovách je ich významným zdrojom používanie fotokopírovacích prístrojov, tlačiarní, faxov, tonerov a atramentov. Koncentrácia vo vzduchu závisí od druhu samotného zdroja, jeho veku, ale aj teploty a vlhkosti okolia. Zdroje prchavých organických látok pôsobia v budovách buď krátkodobo vo vysokých koncentráciách pri samotnej aplikácii alebo dlhodobo v nízkych koncentráciách počas používania produktov, keď sa pomaly uvoľňujú do ovzdušia a zhoršujú jeho kvalitu. Do tejto skupiny zdraviu škodlivých faktorov patria napríklad formaldehyd, toluén, acetylén, tetrachlóretylén a podobne. Zvýšená koncentrácia spôsobuje pocit suchých slizníc a suchej kože, svrbenie, vyrážky, bolesti hlavy, nevoľnosť, kašeľ a podobne.
V súčasne platnej slovenskej legislatíve stanovuje najvyššie prípustné hodnoty zdraviu škodlivých faktorov vo vnútornom ovzduší budov vyhláška ministerstva zdravotníctva SR č. 326/2002 Z. z.
Riadiaci systém vetrania a klimatizácie
Základnou úlohou riadiaceho systému vetrania a klimatizácie budov je:
- zabezpečiť dodávky takého množstva čerstvého vzduchu do priestoru, ktoré v danom okamihu spĺňa aktuálne požiadavky na kvalitu vnútorného prostredia,
- znížiť prietoky upraveného vzduchu v čase, keď priestory nie sú obsadené, čím sa znížia aj náklady na úpravu vetracieho vzduchu.
Aby mohol riadiaci systém plniť tieto požiadavky, sú dôležité tri kroky návrhu:
- voľba snímača,
- jeho umiestnenie,
- regulačná stratégia.
Na stanovenie kvality vnútorného prostredia budov sa v súčasnosti používajú dva druhy snímačov, a to snímač oxidu uhličitého a snímač zmesi plynov. Na analýzu zloženia plynov a plynových zmesí sa vyrábajú prístroje, ktoré pracujú na rozličných princípoch merania.
Snímače na reguláciu kvality vnútorného vzduchu [1, 3]
Snímač pracujúci na princípe elektrofyzikálnej metódy
Princíp merania je založený na tom, že pri vzájomnom pôsobení snímača a meraného plynu nedochádza k chemickým zmenám analyzovanej látky. Najčastejšie sa v tejto oblasti používa metóda nedisperzného merania útlmu svetla v infračervenej oblasti (metóda NDIR) (obr. 1) založená na schopnosti niektorých plynov absorbovať určitú vlnovú dĺžku žiarenia, ktoré nimi prechádza. Táto metóda umožňuje s vysokou citlivosťou určiť a merať zloženie plynov, ktorých absorbčné pásma ležia v spektre infračervených vlnových dĺžok od 200 do 900 nm. Medzi takto merateľné plyny patria napríklad CO2, CO, NO, SO2 alebo CH4. Každý druh plynu pohltí inú vlnovú dĺžku, a tak možno v zmesi plynov určiť presné zloženie.
Základnými časťami snímača sú zdroj infračerveného žiarenia, meracia komora s plynom a infračervený detektor s filtrom. Zdroj vysiela lúče, ktoré prechádzajú cez komoru s analyzovaným plynom. Detektor (prijímač) meria útlm jednotlivých zložiek žiarenia a prevádza ich na elektrický signál, ktorý sa ďalšou elektronikou spracováva a následne sa vyhodnotí útlm žiarenia. Na tomto základe sa vypočíta aktuálna koncentrácia meraného plynu vo vzduchu.
Snímače založené na tejto metóde merania sa vyznačujú vysokou presnosťou, citlivosťou, stabilitou parametrov a snímaním koncentrácie detegovaného plynu v širokej škále. Nevýhodou je vyššia cena.
Obr. 1: Snímač NDIR [ 1 ]
Snímač pracujúci na princípe elektrochemickej metódy
Elektrochemická metóda merania je založená na vzájomnom pôsobení detegovaného plynu a povrchu snímača sprevádzanom chemickou reakciou, pri ktorej sa mení určitá fyzikálna veličina. Základom snímača je elektrochemický článok a elektrolyt s rôznym zložením. Jeden princíp merania spočíva v tom, že kyslík sa na rozhraní vrstvy katóda/elektrolyt premieňa elektrochemickou cestou na elektrický prúd, ktorého veľkosť je úmerná koncentrácii kyslíka v meranej zmesi plynov. Meracia komora obsahuje olovenú anódu a zlatú katódu, ktoré sú ponorené do elektrolytu na báze kyseliny octovej (obr. 2). Tento spôsob možno použiť na detekciu plynov, ktoré oxidujú na kovovom katalyzátore, ako sú platina alebo zlato. Plyny, ktoré sa dajú týmto spôsobom merať, sú oxidy - oxidy dusíka, oxid uhoľnatý alebo oxid uhličitý. Prednosťou týchto snímačov je vysoká citlivosť, na druhej strane však aj kratšia životnosť.
Obr. 2: Elektrochemický snímač [ 3 ]
Iný princíp merania je založený na zmene elektrickej vodivosti polovodivého materiálu pri styku s meraným plynom (obr. 3). Polovodivý materiál sa zahrieva na teplotu vyššiu než je teplota okolia a v dôsledku nárastu koncentrácie plynu vo vzduchu dochádza k stúpaniu jeho elektrickej vodivosti. Zloženie polovodivej vrstvy a pracovná teplota určujú výsledné vlastnosti a citlivosť snímača, ktorá sa pohybuje v rozmedzí od 20 do 100 ppm. Snímače sú citlivé na rôzne plynné zložky vzduchu ako cigaretový dym, H2S, NO, NO2, SO2, NH3, CH4 a podobne. Ich veľkou nevýhodou je citlivosť aj na iné plyny, než je meraný plyn.
Obr. 3: Snímač zmesi plynov [ 3 ]
Snímač pracujúci na báze akustickej metódy
Metóda merania je založená na princípe vyhodnocovania zmien kmitočtu ultrazvuku v mechanickom rezonátore. Pomocou elektroniky sa vyhodnocuje zmena kmitočtu ultrazvukových vĺn a na základe závislosti tejto zmeny od koncentrácie CO2 vo vzduchu sa určuje jeho aktuálna hladina.
Obr. 4: Elektroakustický snímač [ 1 ]
Snímače všetkých typov majú zvyčajne spojitý výstupný napäťový signál 0 (2) až 10 V alebo prúdový signál 0 (4) až 20 mA, ktorý je proporcionálny k obsahu CO2 v interiéri.
Obr. 5: Snímač CO2 s napäťovým výstupom 0 - 10 V [ 1 ]
Voľba snímača
V objektoch občianskeho alebo administratívneho charakteru, kde sa predpokladá, že jediným znečisťovateľom ovzdušia je človek, nachádzajú vhodné uplatnenie snímače oxidu uhličitého. Jeho koncentrácia priamo závisí od obsadenosti priestoru ľuďmi. Množstvo privádzaného vzduchu sa môže priamo prispôsobovať počtu ľudí v danom časovom období, čím sa zamedzí nadmernému vetraniu, a teda aj plytvaniu energiou. Možno sem zahrnúť priestory s premenlivým časovým využitím alebo s meniacim sa počtom ľudí, ako sú prednáškové miestnosti, kiná, múzeá, divadelné sály, javiská, školiace miestnosti, kancelárie a podobne. Týmto spôsobom možno znížiť spotrebu energie o 30 až 50 %.
Snímače zmesi plynov sa používajú v priestoroch, kde sa predpokladá výskyt rôznych pachov, medzi ktoré patria cigaretový dym, pachy ľudského tela, ale aj látky, ktorých produkcia nezávisí od prítomnosti človeka. Vhodnou aplikáciou sú miestnosti pre fajčiarov, reštaurácie, bary, kuchyne, kaviarne, výstaviská, obchodné priestory a športové haly. Na rozdiel od snímačov CO2, ktoré sú citlivé iba na jeden druh plynu, snímače zmesi plynov sú širokospektrálne, nedokážu určiť druh a koncentráciu jednotlivých zložiek spektra plynov, na ktoré reagujú, a ani posúdiť, či ide o príjemné alebo nepríjemné pachy. Výsledné nastavenie parametrov regulácie kvality vzduchu závisí v konečnom dôsledku od pocitov samotných užívateľov.
V súčasnosti sa vyrábajú snímače určené na meranie jednej fyzikálnej veličiny alebo kombinované snímače, ktoré monitorujú zároveň teplotu, relatívnu vlhkosť a koncentráciu CO2, resp. zmesi plynov. V rámci jedného priestoru možno použiť snímač CO2 a snímač zmesi plynov, ktoré navzájom pôsobia doplnkovo. Napríklad v prednáškových sálach, kde je cez deň veľká a časovo premenlivá obsadenosť, pôsobí v tomto čase snímač CO2 a po ukončení prevádzky, keď prebiehajú čistiace práce, reaguje snímač zmesi plynov. Na obr. 6 je príklad snímania koncentrácie zmesi plynov pri rôznych podmienkach obsadenia miestnosti.
Obr. 6: Graf snímania koncentrácie zmesi plynov pri rôznych podmienkach obsadenia miestnosti [ 2 ]
Záver
Reguláciu vetrania riadenú podľa kvality vnútorného vzduchu je vhodné navrhnúť v objektoch:
- s premenlivou obsadenosťou priestoru počas dňa,
- s veľkopriestorovými miestnosťami, ako sú spoločenské miestnosti, prednáškové sály, predajne, kiná, reštaurácie, bary, átriá hotelov a podobne,
- s koncentráciou CO2, ktorá vzniká pri metabolizme človeka a je jediným kontaminantom vnútorného prostredia,
- s vysokou hladinou koncentrácie škodlivín nesúvisiacich s metabolizmom človeka (priemyselné a laboratórne priestory),
- s nízkou kvalitou vnútorného prostredia, ktorá súvisí s malými, resp. vysokými dávkami privádzaného vzduchu,
- pri korekcii návrhu vzduchotechnického zariadenia, ak je reálne obsadenie priestoru nižšie, než sa predpokladalo,
- s požiadavkou celoročnej úpravy vzduchu ako predpokladu na zníženie prevádzkových nákladov.
Obrázky: firemné materiály Protronix, Honeywell a literatúra [3]
Článok vznikol s podporou projektu Vega č. 1/1052/11.
Literatúra
1. Firemné materiály firmy Protronix
2. Firemné materiály firmy Honeywell, www.honeywell.com
3. Otte, L.: Technické prostředky automatizace. Základní měření v důlním prostředí vzhledem k bezpečnosti, přenosové systémy dat v dole. Ostrava: Vysoká škola báňská, TU Ostrava, Hornicko-geologická fakulta, Institut ekonomiky a systémů řízení, 2006 - 2007
4. www.avair.cz: Rizikové složky vzduchu
The fundamental role of the control system of ventilation and air conditioning of buildings is to ensure delivery of a quantity of fresh air into the space, which at the moment meets the current requirements on the quality of the indoor environment. When designing a control system according to the quality of indoor air is very important the choice of sensor.