Ekonomiczny sterownik wentylacji dla szkół, biur, restauracji i budynków mieszkalnych

Ludzie do prawidłowego funkcjonowania potrzebują czystego i świeżego powietrza, które zawiera niezbędny do życia tlen. Jeśli człowiek przebywa w pomieszczeniach zamkniętych, tlen jest zużywany i musi być uzupełniany powietrzem z zewnątrz dostarczanym za pośrednictwem systemu wentylacji pomieszczeń, przy czym wentylacja może być naturalna (grawitacyjna) lub sztuczna (mechaniczna).

Funkcją wentylacji nie jest jedynie uzupełnianie zużytego tlenu. Równie ważne jest usuwanie różnego rodzaju zanieczyszczeń zawartych w powietrzu. Mogą to być zanieczyszczenia pochodzenia naturalnego, takie jak dwutlenek węgla i para wodna, będące produktami oddychania ludzi, oraz sztucznego, np. tlenek węgla i formaldehydy pochodzące – odpowiednio – ze spalania (kominki, palenie papierosów) i z mebli. Zanieczyszczenia naturalne przyczyniają się do zmniejszenia komfortu klimatycznego ludzi przebywających wewnątrz budynków, natomiast zanieczyszczenia sztuczne są często toksyczne i mogą powodować zatrucia lub działać chorobotwórczo.

Wśród zanieczyszczeń powietrza szczególną rolę pełni dwutlenek węgla. Jest to gaz występujący naturalnie w powietrzu, w stężeniu ok. 400 ppm (części na milion), czyli ok. 0,04 % objętościowo. Przy słabej wentylacji gaz ten gromadzi się bardzo szybko. Dla przykładu w klasie szkolnej, w której nie ma wentylacji mechanicznej, przez 45 minut lekcji z udziałem dwadzieściorga ośmioletnich dzieci, stężenie dwutlenku węgla może przekroczyć 2000 ppm. Nie jest to stężenie toksyczne, czyli zagrażające zdrowiu. Norma przemysłowa dopuszcza na stanowisku pracy stężenie CO₂ o wartości do 5000 ppm (NDS, najwyższe dopuszczalne średnie ważone w ciągu ośmiogodzinnego dnia pracy), jednakże dotyczy bezpieczeństwa pracowników. Norma odnosząca się do komfortu ludzi jest niższa. W tym przypadku, za graniczną wielkość przyjmuje się wartość wynoszącą 1000 ppm. Powyżej tego stężenia CO₂ człowiek zaczyna odczuwać dyskomfort przejawiający się poczuciem duszności, sennością, zmęczeniem, a nawet bólem głowy. W takich warunkach wydajność pracy umysłowej znacznie się obniża, podobnie, jak zdolność koncentracji i uczenia się. Zbyt wysokie stężenie dwutlenku węgla wpływa też negatywnie na efektywność odpoczynku w pomieszczeniach mieszkalnych.

Rys. 1. Zmiany stężenia dwutlenku węgla w klasie szkolnej w czasie lekcji.
Lekcje (nauczanie początkowe - klasy 1 - 3) trwały od 8:55 do 11:30 (pierwsza zmiana) i od 12:40 do 15:20 (druga zmiana). W klasie przebywało 20 - 25 uczniów. Wentylacja naturalna wspomagana przez otwieranie okien (w czasie przerw i po południu).

We współczesnych budynkach użyteczności publicznej (np. szkoły, biura, kina, restauracje), domach wielorodzinnych i jednorodzinnych wentylacja grawitacyjna jest niewystarczająca dla dostarczenia odpowiedniej ilości świeżego powietrza. Ze względu na wymogi termoizolacji, budynki są coraz lepiej uszczelnione, co powoduje, że powietrze z zewnątrz nie może się dostać do pomieszczeń wewnętrznych. Z tego względu znaczenia nabiera wentylacja mechaniczna wymuszająca dostawę świeżego powietrza. Oczywistą wadą wentylacji mechanicznej jest zużycie energii elektrycznej koniecznej dla pracy wentylatorów. W sytuacji, gdy w pomieszczeniach wewnętrznych przebywa mało ludzi i nie jest potrzebna intensywna wymiana powietrza, wentylacja ze stałą wydajnością jest wyrzucaniem pieniędzy przez kanał wentylacyjny. Istnieją jednak obecnie systemy sterowania pozwalające ustawiać pracę systemów wentylacyjnych tak, aby dostarczały jedynie tyle powietrza, ile jest aktualnie potrzeba dla ludzi. Takie podejście określane jest nazwą „sterowanie wentylacją zgodnie z zapotrzebowaniem” (ang. demand control ventilation).

Sterowanie systemami wentylacyjnymi

Istnieje kilka sposobów oceny, jakie jest bieżące zapotrzebowanie na świeże powietrze. Wśród nich, ocena oparta o poziom CO₂ w powietrzu wydaje się obecnie optymalną. W metodzie tej przyjmuje się, że stężenie dwutlenku węgla w powietrzu w wentylowanym pomieszczeniu jest proporcjonalne do liczby przebywających tam ludzi oraz długości czasu ich przebywania. Jeśli w pomieszczeniu nie ma ludzi, wentylacja pracuje z małą wydajnością, stanowiącą ok. 20% maksymalnej wartości. W niektórych systemach wentylacyjnych możliwe jest w takiej sytuacji całkowite wyłączenie wentylacji mechanicznej, a podstawową wymianę powietrza w pomieszczeniu zapewnia wentylacja naturalna. Gdy w pomieszczeniu pojawiają się ludzie, w wyniku ich oddychania, stężenie CO₂ bardzo szybko się podnosi. Przekroczenie zadanego poziomu stężenia CO₂ powoduje zwiększenie wydajności wentylacji, co prowadzi do obniżenia stężenia dwutlenku węgla poniżej górnego progu komfortu. Wraz z CO₂ usuwane są inne zanieczyszczenia. Sterowanie wentylacją zgodnie z zapotrzebowaniem może odbywać się płynnie lub skokowo. W pierwszym przypadku zmiana wydajności wentylacji jest realizowana przez falownik regulujący obroty wentylatora, w drugim przez włączanie wentylatora (ewentualnie wentylatora z regulacją skokową). Można przyjąć następujące progi stężenia CO₂ dla sterowania wentylacją zgodnie z zapotrzebowaniem:

• 600 ppm – optymalne stężenie CO₂ w powietrzu, przy którym wentylacja może pracować z minimalną wydajnością.
• 800 ppm – włączenie wentylacji z wydajnością ok. 50%.
• 1000 ppm – włączenie wentylacji z wydajnością ok. 80%.
• 1400 ppm – włączenie wentylacji z maksymalną wydajnością.

Na świecie, sterowanie systemami wentylacyjnymi jest stosowane dość powszechnie, bowiem przynosi wymierne korzyści. Ten typ kontroli wentylacji można spotkać w biurowcach, szkołach, centrach handlowych itp. W Polsce jeszcze do niedawna stosowanie sterowania systemami wentylacyjnymi zgodnie z zapotrzebowaniem było ograniczone, w zasadzie wyłącznie, do obiektów o dużej kubaturze i takich, gdzie przebywa wielu ludzi (kompleksy kinowe, sale gimnastyczne i hipermarkety). Przyczyną był dość wysoki koszt instalacji systemu sterowania. Dla przykładu, przy obecnej cenie energii elektrycznej, czas zwrotu nakładów na inwestycję w system sterowania wentylacją zgodnie z zapotrzebowaniem zainstalowany w sali kinowej dla 500 osób wynosił od 6 do 12 miesięcy. Obecnie pojawiły się jednak nowe, zdecydowanie tańsze, układy sterujące pozwalające na tyle znacząco obniżyć koszt systemów kontroli wentylacji, że opłaca się je stosować nawet w domach jednorodzinnych. Pierwszym dostawcą takich urządzeń na rynek polski jest firma GAZEX.

Ekonomiczny Kontroler CO₂ AirTECH eko

Kontroler AirTECH eko składa się z dwóch elementów: sensora CO₂ w estetycznej obudowie naściennej (do montażu w monitorowanym pomieszczeniu) i modułu zasilająco-sterującego (do montażu w pomieszczeniach w pobliżu wentylatorów) połączonych czterożyłowym przewodem telefonicznym lub UTP („skrętką” komputerową) . W kontrolerze zastosowano nowoczesny, bezobsługowy sensor dwutlenku węgla typu NDIR, w którym pomiar stężenia gazu opiera się na pochłanianiu nierozproszonego strumienia podczerwieni (ang. non-dispersive infrared). Sensory tego typu są bardzo selektywne (tzn. pomiar nie jest zakłócany przez inne gazy), są całkowicie odporne na przekroczenie zakresu pomiarowego, charakteryzuje je duża trwałość i żywotność (powyżej 10 lat). Wbudowana unikalna procedura autokalibracji zapewnia bezobsługowość przez przynajmniej 3 lata. Zakres pomiarowy sensora zastosowanego w kontrolerze AirTECH eko wynosi 0 – 2000 ppm. W wersji standardowej sensor jest wyposażony w sygnalizację optyczną. Są to lampki LED: jedna zielona (zasilanie) i dwie czerwone; pierwsza sygnalizuje przekroczenie stężenia 800 ppm, a druga przekroczenie 1400 ppm CO₂. Ustawienie progów jest fabryczne, może być jednak zmienione na życzenie Użytkownika. Dokładność ustawienia progów wynosi 10% wartości zadanej. Opcjonalnie sensor może być wyposażony w wyświetlacz pokazujący aktualne stężenie dwutlenku węgla w pomieszczeniu oraz syrenkę sygnalizującą przekroczenie stężenia CO₂ w wysokości 1400 ppm.

Fot. 1. Ekonomiczny Kontroler AirTECH eko (wersja bez wyświetlacza) składający się z sensora CO₂ (na dole fotografii) i modułu zasilająco-sterującego (na górze fotografii).

Moduł zasilająco-sterujący kontrolera posiada szczelną obudowę z bezdławicowymi przepustami kablowymi. Moduł jest zasilany z sieci energetycznej 230 V~. Funkcja sterownicza modułu jest realizowana za pośrednictwem dwóch wyjść przekaźnikowych (zwiernych) o maksymalnym obciążeniu do dwóch amperów przy obciążeniu rezystancyjnym lub indukcyjnym (silniki). Wyjścia przekaźnikowe są sterowane sygnałem z sensora, zwierają się odpowiednio przy przekroczeniu pierwszego progu alarmowego (800 ppm) i drugiego progu alarmowego (1400 ppm). Wyjścia służą do bezpośredniego sterowania wentylatorami lub do przekazania informacji o stanie atmosfery wewnętrznej do systemu zarządzania budynkiem.

Rys. 2. Schemat połączeń kontrolera AirTECH eko.

Kontrolery są sprzedawane zarówno odbiorcom detalicznym (w siedzibie firmy lub wysyłkowo), jak i hurtowym lub instalatorom (z rabatem do 30%) . Kontroler AirTECH eko jest objęty gwarancją GAZEX rozszerzoną (nieodpłatnie) do 36 miesięcy.