Sterowanie wentylacją sukcesem finansowym (czujniki CO2)

W dobie gwałtownego rozwoju elektroniki pojawiły się czujniki do pomiaru parametrów powietrza w systemach HVAC, w tym także przetworniki stężenia CO2. Wiadomo, że dwutlenek węgla, jako produkt metabolizmu organizmów ludzi przebywających w zamkniętych pomieszczeniach, musi być sukcesywnie usuwany. W tradycyjnych systemach wentylacji i klimatyzacji wiąże się to ze stałą ilością dopuszczanego do budynku świeżego powietrza, z jednoczesnym wyrzucaniem na zewnątrz takiej samej ilości powietrza „zużytego”.

System kontrolowanej wentylacji DCV

W celu ograniczenia strat tym spowodowanych podejmuje się różnego rodzaju działania, polegające na odzysku energii, na przykład poprzez rekuperację, stosowanie pomp ciepła, itp. Jednak nie wszystko udaje się odzyskać i znacząca część energii jest tracona bezpowrotnie. Pojawienie się wspomnianych wyżej czujników CO2 pozwala na zrealizowanie w praktyce systemu kontrolowanej wentylacji DCV (z ang. Demand-Controlled Ventilation). Koncepcja ta określana jest również mianem „wentylacji na żądanie”.

Wytyczne organizacji ASHRAE

Zgodnie z wytycznymi organizacji ASHRAE (Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa Wentylacji i Klimatyzacji, z ang. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers), w celu zapewnienia odpowiedniej jakości powietrza w budynkach zaleca się utrzymywanie wydajności wentylacji w zależności od powierzchni podłogi, według przelicznika ujętego w amerykańskiej normie 62-2001. Według tej normy, minimalna wartość wymian powietrza na godzinę, tzw. ACH (z ang. Air Charges per Hour), powinna wynosić 0.35, ale też nie mniej niż 15 CFM/osobę (z ang. Cubic Feet per Minute) – w przeliczeniu 7.1 l/s/osobę. Stosowanie się do wskazanego standardu zapewnia, że różnica poziomu CO2 na zewnątrz i wewnątrz pomieszczenia nie przekroczy 700ppm. Wartość ta jest bezpośrednio związana z „efektem rozproszenia”, który pojawia się, gdy do pomieszczenia wtłaczane jest powietrze z zewnątrz, o stężeniu dwutlenku węgla na poziomie 400ppm, w ilości 7 l/s/osobę. Ze względu na fakt, że CO2, podobnie jak wszystkie gazy, szybko dyfunduje w powietrzu zewnętrznym, czasowe zmiany w koncentracji w danym miejscu z reguły nie przekraczają 50ppm i mają na ogół charakter przejściowy.

Ile energii można zaoszczędzić kontrolując stężenie CO2 w pomieszczeniach?

Systemy kontrolowanej wentylacji DCV, oparte o czujniki stężenia dwutlenku węgla (CO2), pozwalają na znaczną redukcję zużycia energii związanej z przygotowaniem i wymianą powietrza w pomieszczeniach. Ciągła kontrola stężenia CO2, emitowanego przez osoby przebywające w pomieszczeniach, pozwala zmniejszyć liczbę wymian powietrza w tych budynkach, a więc ograniczyć koszty związane z jego ogrzewaniem lub schładzaniem.

Rysunek 1 przedstawia ideę wentylacji na żądanie oraz jej wyższość nad programowo ustawioną wentylacją.

John J. Lauria wykazał, że system kontrolowanej wentylacji oparty o czujniki CO2 jest w stanie zaoszczędzić 20%-30% kosztów energii dla pomieszczeń biurowych, 30%-60% w barach lub restauracjach oraz 10%-50% w szkołach lub salach konferencyjnych, w porównaniu do takich samych pomieszczeń z systemem HVAC bez kontroli stężenia dwutlenku węgla (zob. Getting more for less, John J. Lauria, 1998).

Podsumowując, w zależności od liczby osób przebywających w pomieszczeniach, czynności przez nie wykonywanych oraz powierzchni pomieszczeń, czujniki stężenia dwutlenku węgla (CO2), wspomagające system HVAC, mogą przyczynić się do oszczędności energii do 40%, a w niektórych przypadkach nawet do 60%.

Rysunek 2 przedstawia ideowo oszczędności energii wynikające z zastosowania koncepcji „wentylacji na żądanie”.

Symulacja modelu biura przy pomocy symulatora AirTest

 Przy użyciu symulatora o nazwie AirTest zasymulowano model biura znajdującego się w Europie. Wyniki tej symulacji przedstawiono w tabeli 1, wykazując potencjał oszczędności energii oparty o system regulacji DCV, wykorzystujący czujniki CO2. Przy okazji oszacowano zwrot kosztów, jakiego należy spodziewać się w przypadku niejednorodnego obłożenia przestrzeni o lokalnie bardzo wysokiej gęstości gromadzenia się osób.

Powszechnie wiadomo, że idealnym rozwiązaniem byłoby doprowadzenia do stanu całkowitej recyrkulacji atmosfery wewnątrz budynku. Powinno to stanowić wyzwanie i impuls do tworzenia nowych rozwiązań oraz konstrukcji urządzeń wentylacyjnych.

Rozwiązania firmy Rotronic, dedykowane do kontroli stężenia dwutlenku węgla

Szwajcarska firma Rotronic oferuje czujniki umożliwiające pomiar CO2 w pomieszczeniach (wersje naścienne) oraz w kanałach wentylacyjnych (wersje kanałowe). Do najpopularniejszych i najczęściej stosowanych przetworników należy seria CF3, mierząca stężenia dwutlenku węgla w zakresie 0…2000ppm.

Wybrane wersje przetworników CF3 Rotronic zostały przedstawione na rysunku 3.

Najważniejsze właściwości przetworników CO2 z serii CF3:

• technologia pomiaru: NDIR (są to czujniki niedyspersyjnej absorpcji podczerwieni)
• zakres pomiarowy: 0…2000ppm
• wersje: naścienna (CF3-W-EU) / kanałowa (CF3-D)
• wyświetlacz LCD: przy wybranych modelach
• sygnalizator świetlny/dźwiękowy: przy wybranych modelach
• zasilanie: 16…29VDC/VAC
• wyjście: napięciowe (0…10V) i prądowe (4…20mA)
• interfejs cyfrowy: RS-485 (MODBUS RTU) – przy użyciu zewnętrznego modułu MiniMod AU

Na podstawie materiałów udostępnionych przez firmę Rotronic AG Szwajcaria. Tytuł oryginału: „Energy Saving by using NDIR CO2 gas sensor”. 

Opracowanie: B&L International Sp. z o.o. oraz AP Automatyka S.C.