Inteligentní budova – simulace šíření kontaminentu, např. CO2, v budovách
Inteligentná budova – HVAC – Simulácia šírenia kontaminantu v prostredí ContamV3
Contam je simulační nástroj používaný na analýzu teplot a proudění vzduchu ve více zónách nebo komplexu budov. Sleduje koncentraci a šíření kontaminentu v budově, např. CO2 v závislosti na pohybu osob v budově.
Úvod
Vo vnútri budov trávime až deväťdesiat percent svojho života. Preto nám musí záležať na tom, aby budova pôsobila priaznivo na našu fyzickú i psychickú pohodu. Málo svetla môže prispieť k vzniku depresií, nedostatočná výmena vzduchu spôsobuje vznik a množenie alergénnych či dráždivých látok, spôsobujúcich problémy s dýchaním. Vzťah k bývaniu odráža náš vzťah k sebe samému ako aj vzťah k prírode. V prípade systému HVAC (Heating, Ventilation and Air-Conditioning) je preto dôležité, aby sa dosiahla predpísaná kvalita vnútorného prostredia. Existuje mnoho simulačných softvérov pre modelovanie subsystému HVAC. Tie nám umožňujú overenie vlastností navrhovaného systému ako aj vytvorenie scénarov a algoritmov riadenia podľa výsledkov simulácií.
ContamV3
Obr. 1. Proces tvorby modelu pre ContamV3
Contam[1][2] je simulačný nástroj používaný na analýzu teplôt a prúdenia vzduchu vo viacerých zónach alebo komplexe budov. Sleduje koncentráciu a šírenie kontaminantu v budove, napr. CO2 v závislosti od pohybu osôb v budove. Contam pozostáva z dvoch komponentov: zo samotného GUI a z prostriedku na simuláciu. V GUI[3][4] sa dá pomocou mnohých nástrojov reprezentovať topológia budovy. Do budovy potom možno zakresliť potrubia a jednoduché vedenia riadiaceho systému. Rovnako je možné vytvoriť ikony reprezentujúce cesty prúdenia, odpad ale aj obyvateľov.
Princíp tvorenia projektu vidno na obrázku č. 1.
Návrh budovy
Predpokladajme trojposchodovú budovu, kde každé z podlaží má rozlohu 200 m2. V budove sídlia tri firmy, každá na jednom poschodí. Na každom z poschodí sa nachádzajú kancelárie, kúpeľňa s WC, zasadačka a kuchynka, pričom hala je dostatočne veľká na posedenie alebo recepciu.
Obr. 2. Prvé poschodie budovy
Obr. 3. Druhé poschodie budovy
Obr. 4. Tretie poschodie budovy
V dolných rohoch obrázkov budovy je vyznačené poschodie. Každá z miestností (zón) má svoje meno a rozlohu. Mená miestností sú odvodené od ich využitia a poschodia, na ktorom s nachádzajú.
V budove sme použili okná a dvere z knižnice ASHRAELA. Vybrané modely najlepšie reprezentujú reálne hodnoty (škárová prievzdušnosť ai.).
AHS
AHS je skratka pre Air-Handling system, čiže vetrací systém. Zvolili sme rovnotlakový model, to znamená, že odsávame rovnaký objem vzduchu ako privádzame. Budova v tomto projekte má celkový objem cca 1800 m3 (3 × 3 m × 200 m2). Zvolili sme intenzitu vetrania na 0.5/h čo predstavuje prietok vzduchu budovou 900 m3/h, tomu odpovedá prietok 1,8 m3/h na 1 m2 pri rozlohe vetranej časti cca 500 m2. Prepočtom závislosti prietoku na m2 sa vyhneme možným komplikáciám s nedostatočnou dodávkou čerstvého vzduchu do obývaných miestností, nakoľko rozloha miestnosti obmedzuje počet osôb v nej. Filtrovanie vzduchu pomocou filtrov môžeme nastaviť rovnako v AHS jednotke ako aj v jednotlivých prívodoch a odvodoch vzduchu. Zvolili sme prečisťovanie v AHS jednotke a to dvomi filtrami. Pre čerstvý vzduch citlivejší, označený ako KB_MERV-6 a pre recyklovaný priepustnejší, KB_MERV-4. Filtre sú ďalšie z možností knižníc Contamu. Boli vytvorené 3 modely funkčnosti AHS, všetky pracujú počas dňa, 6:00–21:00, s pomerom 1, t.j. privádza sa len čerstvý vzduch. Rozdiel medzi modelmi je vetranie počas noci, 1. model – AHS vnoci vypnuté, 2. model – AHS pracuje s pomerom 0.3 (30 % čerstvého vzduchu), 3. model – AHS pracuje s pomerom 1 rovnako ako počas dňa.
Každému z použitých AHS v projekte je nutné nastaviť plán funkčnosti. V našom projekte sa vytvorilo niekoľko variant a pre sledovanie rôznych šírení kontaminantu.
V projekte sme do každej vetranej miestnosti umiestnili buď SUPPLY-prívodnú jednotku (kancelárie, hala, zasadačka) alebo RETURN-odvodovú jednotku (wc, hala) alebo oboje (kuchynka). V miestnostiach ako kancelárie si použitím len prívodných jednotiek zabezpečíme, že pachy z okolitých priestoroch do tejto kancelárie nepreniknú a rozdiely v tlakoch sa vyrovnajú pomocou netesností dvier a okien. Presne opačný je model napríklad v kúpeľni s wc, kde odsávaním zabránime šíreniu odórov von z miestnosti.
Keďže sa jedná o zjednodušený model, nieje nutné si predstaviť prívody a odvody ako regulérne klimatizačné jednotky. Touto formou môžeme reprezentovať napríklad aj model, v ktorom je použitá jedna centrálna klimatizačná jednotka, ktorá vháňa potrebný objem vzduchu do potrubia v budove. Týmto potrubím je potom vzduch rozvádzaný do jednotlivých miestností, kde vo výustkách je prietok regulovaný ventilom. Použitím ventilov bez ventilátorov na reguláciu prietoku znížime hlučnosť a ušetríme financie.
Kontaminant
Ako kontaminant sme zvolili fosgén (fosgén bol zvolený z dôvodu, pretože už raz v histórii bol použitý ako chemická zbraň a jeho účinky na organizmus sú zdrvujúce, preto slúži ako názorný príklad pre iné, nové, chemické zbrane – t.j. ako príklad simulácie teroristického útoku pomocou ventilačného systému). Plynný fosgén je vysoko toxická chemická látka, ktorá sa používala ako chemická zbraň počas Prvej svetovej vojny. Jeho toxicita spočíva v tom, že alkyluje biomolekuly, obsahujúce sulfhydrylové a amínové funkčné skupiny (napríklad proteíny, lipoproteíny a enzýmy), čím narušuje bunečné membrány, čo sa po inhalácii fosgénu prejavuje obvykle pomaly, po latenciii 2–48 (!) hodín toxickým opuchom pľúc. V koncentrácii viac ako 0,01 mg.min.l−1 (2,45 ppm) spôsobuje podráždenie očí a dýchacích ciest, hodnota Lct50 (pravdepodobné usmrtenie 50 % populácie vystavenej kontaminantu) sa udáva okolo 3,2 mg.min.l−1 (777 ppm).
V našom prípade ide o jednorazové uvoľnenie 5 kg tohto plynu (zdroj uvoľneného plynu je umiestnený vo vstupnej hale na prízemí). 5 kg tohto plynu predstavuje približne 1,177 m3 = 1177 litrov tohto plynu, čo je obrovské množstvo. Ale keďže simulujeme výbuch bomby so stlačeným plynom, je to vhodným príkladom, a hodnoty ktoré nameriame aspom budú badateľné.
Simulácia
Dynamické výsledky simulácie sú viditeľné cez Contam Result Viewer, kde je môžné sledovať postupné šírenie kontaminantu po budove.
V prvom modeli bolo AHS navrhnuté s výmenou vzduchu len počas prevádzky (6:30–20:30) a čiastočne mimo prevádzku, pričom v nočných hodinách sa AHS vypne úplne. Na obrázku č. 5 vidno,že koncentrácia fosgénu na 1. poschodí je ohromne vysoká, nakoľko už 777 ppm je smrteľná koncentrácia. Na druhom poschodí je koncentrácia 0,0323 ppm, t.j. pod hranicou vplyvu na ľudský organizmus (2,45 ppm). V tomto prípade by nastala okamžitá smrť všetkých, ktorý sa v čase výbuchu nachádzali v hale na 1. poschodí. Vetranie miestností ako sú kancelária, zasadačka a kuchynka je navrhnuté tak aby sa kontaminant do týchto priestorov nedostal. Ďalší nedostatok je viditeľný v rámci zle navrhnutej výťahovej šachty (môže predstavovať aj schodisko). Na tieto priestory sa často zabúda a pritom sa v nich kontaminant zdržuje najdlhšie, pretože sa odvetrá len prirodzenou cestou.
O 21:00 (obr. č. 6) je koncentrácia v obytných priestoroch na hodnotách neohrozujúcich život, avšak po vypnutí AHS počas noci sa koncentrácia opäť zvýšila v dôsledku prirodzeného vetrania šachty, kde je kontaminant nahromadený, čím sa následne zamorí celá budova. (Keďže sa jedná o jednorázové uvoľnenie t.j. výbuch, plyn sa rozšíri po budove. V niektorých častiach budovy (šachta) je nahromadený a neodvetrávaný. V prvom modeli sa počas noci prirodzenymi prestupmi vzduchu dostane do celej budovy, čím sa zvýši koncentrácia aj v doposiaľ nezamorených priestoroch.)
Obr 5. Koncentrácia fosgénu po výbuchu
Obr 6. Koncentrácia 12 hodín po výbuchu – 1. model
V druhom prípade sme počas noci AHS nevyplo úplne, ale znížilo sa množstvo privádzaného čerstvého vzduchu (pracuje v noci v pomerom 0.3). Mimo prevádzku sa teda vymieňa vzduch len čiastočne, čím sa urýchli proces odvetrania kontaminantu. Celkovo to však nemá veľký význam, pretože sa kontaminant i tak rozšíri do celej budovy (pri druhom modeli dôjde počas noci k zamoreniu celej budovy v dôsledku zmiešavania vzduchu čerstvého so vzduchom recyklovaným-kontaminovaným (pomer 0.3), čím sa kontaminant rozšíri do všetkých priestorov budovy).
Podľa výsledkov z predchádzajúcich simulácií bol navrhnutý tretí systém AHS, kde sa vymieňa vzduch neustále a v plnom objeme (maximálnom výkone).
Obr 7. Koncentrácia fosgénu 14 hodín po výbuchu – 3. model
Obr 8. Koncentrácia 22 hodín po výbuchu – 3. model
Touto formou sme zabezpečili, že nedôjde k neželanému rozšíreniu kontaminantu počas noci. Namiesto toho systém pracuje bez prestávky, čím sa počas noci zníži koncentrácia fosgénu na bezpečné hodnoty v celej budove. Už na druhý deň je budova kompletne plne obyvateľná bez potreby ďalších obmedzení.
Využitie simulačných výsledkov
Využitím simulačných nástrojov pri návrhu vetracích systémov predídeme možným komplikáciam vo funkčnosti budúceho systému, optimalizujeme prietoky pre jednotlivé vetracie zariadenia a otvory. Po dokončení úplnej a plnej verzie programu ContamV3 bude mať tento program mnoho foriem využitia pri návrhu HVAC a AHS systémov vrátane možnosti implementácie senzorického systému. Od vhodného umiestnenia prvkov HVAC a AHS až po ich nadimenzovanie a zadefinovanie výkonných vlastností. V prípade návrhu AHS pre budovu v stave plánovania je možno túto stavbu na základe výsledkov simulácií prispôsobiť aby sa v čo najväčšej miere zefektívnila jej prevádzka, zvýšila sa kvalita vnútorného prostredia, vzduchu a v neposlednom rade bezpečnosť.
Zistenia, ku ktorým dospejeme počas simulácie sú základným kameňom pri návrhu riadenia vetracích systémov. Vieme prednastaviť chovanie sa systému pri nečakaných udalostiach a tvoriť tak viacero scenárov.
Záver
Výsledkom experimentu je funkčný model, na ktorom možno sledovať správanie sa AHS a šírenie rôznych objemov kontaminantu budovou. Vďaka takýmto modelom je ľahšie rozhodovanie pri vytváraní reálnych systémov. Za opodstatnené riešenie sa určite nepovažuje nepretržitý chod AHS, ale regulácia jeho chodu vzhľadom na využitie budovy. V dobe, keď sa v budove nikto nenachádza je zbytočné a finančne nákladné budovu vetrať, podľa čoho bol navrhnutý prvý model. Avšak v prípade nebezpečia bolo zistené, že najvhodnejším riešením je tretí model (maximálny výkon AHS). Preto je vhodné každý AHS doplniť o senzorický systém, ktorý po detekcii nebezpečných látok v ovzduší prepne medzi prvým a tretím scénarom, čo z hľadiska funkčnosti znamená nepretržité vetranie len v prípade núdze.
Zdroje
- [1] Zdroj manualov Contam V3, http://www.bfrl.nist.gov/IAQanalysis/CONTAM/userguide.htm
- [2] Knižnice k Contam V3, http://www.bfrl.nist.gov/IAQanalysis/CONTAM/libraries.htm
- [3] Krátke tutoriály k Contam V3, http://www.bfrl.nist.gov/IAQanalysis/CONTAM/Tutorials.htm
- [4] Potrebné programy, http://www.bfrl.nist.gov/IAQanalysis/software/index.htm
- [5] SZÉKYOVÁ, M. – FERSTL. K. – NOVÝ. R. 2004. Vetranie a klimatizácia. Bratislava: Jaga group, 2004. 422 s. ISBN 80-8076-000-4
- [6] Klimatizačné zariadenia. Články dostupné na internete: http://www.efilip.sk/default.aspx ?contentID=1280
- [7] Phosgene. Články dostupné na internete Aktualizované 3. 5. 2011, http://en.wikipedia.org/ wiki/Phosgene
CONTAM is a simulation tool used to analyze temperature and air flow in more zones or complex of buildings. It monitors the concentration and spread of contamination in the building, such as CO2, depending on the movement of people in the building.