Regulace větrání podle kvality vnitřního vzduchu

Kvalita vnitřního vzduchu závisí na kvalitě venkovního ovzduší, intenzitě větrání a produkci škodlivin. V pobytových prostorách jsou zdrojem škodlivin především lidé a jejich činnost, dále škodliviny uvolňované ze stavebních materiálů, při čištění a údržbě interiérů. Vliv může mít také špatná údržba technických zařízení v budově.

Základním úkolem řídicího systému větrání a klimatizace budov je zabezpečit dodávky takového množství čerstvého vzduchu do prostoru, které v daném okamžiku splňuje aktuální požadavky na kvalitu vnitřního prostředí. Při návrhu systému regulace podle kvality vnitřního vzduchu (IAQ – z anglického Indoor Air Quality) je velmi důležitá i volba a umístění snímače.

Ke stanovení kvality vnitřního prostředí budov se v současnosti používají dva druhy snímačů, a to snímač oxidu uhličitého a snímač směsi plynů. Pro analýzu složení plynů a plynových směsí slouží přístroje, které pracují na různých principech měření.

Snímače na regulaci kvality vnitřního vzduchu [1, 3] 
Snímač pracující na principu elektrofyzikální metody
Princip měření je založen na vzájemném působení snímače a měřeného plynu, kdy nedochází k chemickým změnám analyzované látky. Nejčastěji se používá metoda nedisperzního měření útlumu světla v infračervené oblasti (metoda NDIR) (obr. 1) založená na schopnosti některých plynů absorbovat určitou vlnovou délku záření, které jimi prochází. Metoda umožňuje s vysokou citlivostí určit a měřit složení plynů, jejichž absorpční pásma leží ve spektru infračervených vlnových délek od 200 do 900 nm. Mezi tyto plyny patří například CO₂, CO, NO, SO₂ nebo CH₄. Každý plyn pohltí jinou vlnovou délku, a tak je možné určit přesné složení směsi plynů.

Snímače založené na této metodě měření se vyznačují vysokou přesností, citlivostí, stabilitou parametrů a snímáním koncentrace detekovaného plynu v široké škále. Nevýhodou je jejich vyšší cena.

Snímač pracující na principu elektrochemické metody
Elektrochemická metoda měření je založena na vzájemném působení detekovaného plynu a povrchu snímače provázeném chemickou reakcí, při níž se mění určitá fyzikální veličina. Základem snímače je elektrochemický článek a elektrolyt s různým složením. Jeden princip měření spočívá v tom, že při elektrochemické přeměně kyslíku se na rozhraní vrstvy katoda/elektrolyt generuje elektrický proud, jehož velikost je úměrná koncentraci kyslíku v měřené směsi plynů. Měřicí komora obsahuje olověnou anodu a zlatou katodu, které jsou ponořeny do elektrolytu na bázi kyseliny octové (obr. 2). Tento způsob lze použít pro detekci plynů, které oxidují na kovovém katalyzátoru, jako jsou platina nebo zlato. Plyny, které se dají tímto způsobem měřit, jsou oxidy – oxidy dusíku, oxid uhelnatý nebo oxid uhličitý. Předností těchto snímačů je vysoká citlivost, na druhé straně však i kratší životnost.

Jiný princip měření je založen na změně elektrické vodivosti polovodičového materiálu při styku s měřeným plynem (obr. 3). Polovodičový materiál se zahřívá na teplotu vyšší, než je teplota okolí, a v důsledku nárůstu koncentrace plynu ve vzduchu stoupá jeho elektrická vodivost. Snímače jsou citlivé na různé plynné složky vzduchu jako cigaretový kouř, H₂S, NO, NO₂, SO₂, NH₃, CH₄ a podobně. Jejich velkou nevýhodou je citlivost i na jiné plyny, než je měřený plyn.

Snímač pracující na bázi akustické metody
Metoda měření je založena na principu vyhodnocování změn kmitočtu ultrazvuku v mechanickém rezonátoru. Pomocí elektroniky se vyhodnocuje změna kmitočtu ultrazvukových vln a na základě závislosti této změny na koncentraci CO₂ ve vzduchu se určuje jeho aktuální hladina (obr. 4). Snímače všech typů mají obvykle spojitý výstupní napěťový signál 0 (2) až 10 V nebo proudový signál 0 (4) až 20 mA, který je proporcionální k obsahu CO₂ v interiéru.

Volba snímače
V občanských i administrativních budovách, kde se předpokládá, že hlavním znečišťovatelem ovzduší je člověk, nacházejí vhodné uplatnění snímače oxidu uhličitého. Koncentrace CO₂ přímo závisejí na obsazenosti prostoru lidmi. Množství přiváděného vzduchu se tak může přímo přizpůsobovat počtu lidí v daném časovém období, čímž se zamezí nadměrnému větrání, a tedy i plýtvání energií. Můžeme sem zahrnout prostory s proměnlivým časovým využitím nebo s měnícím se počtem lidí, jako jsou přednáškové místnosti, kina, muzea, divadelní sály, jeviště, školicí místnosti, kanceláře a podobně. Tímto způsobem lze snížit spotřebu energie o 30 až 50 %.
–>–>
Snímače směsi plynů se používají v prostorách, kde se předpokládá výskyt různých pachů, mezi něž patří cigaretový kouř, pachy lidského těla, ale i látky, jejichž produkce nezávisí na přítomnosti člověka. Vhodnou aplikací jsou místnosti pro kuřáky, restaurace, bary, kuchyně, kavárny, výstaviště, obchodní prostory a sportovní haly. Na rozdíl od snímačů CO₂, které jsou citlivé jen na jeden druh plynu, snímače směsi plynů jsou širokospektrální, nedokážou určit druh a koncentraci jednotlivých složek spektra plynů, na které reagují, a ani posoudit, zda jde o příjemné nebo nepříjemné pachy. V současnosti se vyrábějí snímače určené k měření jedné fyzikální veličiny nebo kombinované snímače, které monitorují zároveň teplotu, relativní vlhkost a koncentraci CO₂, resp. směsi plynů. V rámci jednoho prostoru lze použít snímač CO₂ a snímač směsi plynů, které navzájem působí doplňkově. Například v přednáškových sálech, kde je přes den velká, ale časově proměnná obsazenost, reaguje na aktuální požadavky snímač CO₂. Po ukončení provozu, kdy probíhají čisticí práce, řídí větrání snímač směsi plynů. Na obr. 5 je příklad snímání koncentrace směsi plynů za různých podmínek obsazení místnosti.

Obr. 5 Graf snímání koncentrace směsi plynů za různých podmínek obsazení místnosti [2]

Žádaná přesnost regulace kvality vnitřního vzduchu závisí ve velké míře na umístění snímače, který musí poskytovat co nejobjektivnější údaje o měřené veličině.

Umístění snímače
Snímače se vyrábějí ve dvou vyhotoveních – jako prostorové pro montáž na stěnu, nebo kanálové pro montáž do vzduchotechnického potrubí (obr. 6). Výběr závisí na typu vzduchotechnického systému a specifických vlastnostech objektu. Pro osazení prostorového snímače je třeba vybrat oblast, která reprezentuje účinek nejdůležitějších zdrojů znečištění. Snímač se umísťuje na vnitřní stěnu do výšky 1,5 až 3 m nad podlahou, nejlépe v místě cirkulace vzduchu. Nevhodná jsou místa za vchodovými dveřmi, vedle oken, ve výklencích, za závěsy, v blízkosti vyústek, větracích otvorů nebo zdrojů tepla. Platí, že:

• každá samostatně regulovaná zóna musí mít vlastní snímač,
• pro menší místnosti stačí jeden snímač, pro rozlehlejší a členitější prostory se navrhuje více snímačů, přičemž dávka vzduchu se reguluje podle nejvyšší naměřené hodnoty,
• pokud je vzduch přiváděn do prostoru několika jednotkami, každá jednotka musí mít vlastní snímač, který je instalován ve větraném prostoru.

Najít takové místo není snadné, proto se čidlo často osazuje do odvodního vzduchovodu. Zároveň platí, že potrubí by mělo odvádět vzduch z jedné zóny – tj. z prostorů s podobnou zátěží a obsazeností. Koncentraci škodliviny může ovlivňovat proudění vzduchu netěsnostmi potrubí vlivem rozdílného tlaku odváděného a okolního vzduchu. Nejen z tohoto důvodu je proto vhodné snímač umístit co nejblíže k větranému prostoru. Při osazování je také třeba uvážit přístup ke snímači při jeho údržbě.

Obr. 6 Snímač CO2 a) kanálový, b) prostorový [8]

Na základě zkušeností z praxe bývá doporučováno použití prostorového snímače, který snímá skutečnou hodnotu koncentrace škodliviny ve větraném prostoru, takže řídicí systém zabezpečí kvalitnější vnitřní prostředí a zároveň efektivnější provoz vzduchotechnického systému.

Strategie řízení dodávky vzduchu do prostorů [6] 
Na obr. 7 je schéma zapojení vzduchotechnického zařízení s částečnou úpravou vzduchu. Pro potřeby regulace dodávky vzduchu podle kvality byl použit kombinovaný snímač CO₂ a směsi plynů. Signály o úrovni škodlivin zpracovává počítač, který nastaví intenzitu větrání dle výsledku výběru maximální hodnoty z obou údajů. Regulátor porovná výsledný signál s požadovanou hodnotou, a pokud vznikne odchylka, vyšle signál ventilátorům, případně elektrickým pohonům klapek. Ventilátory zabezpečující proudění vzduchu v potrubí se mohou navrhnout s konstantním nebo proměnlivým průtokem, který je možné řídit stupňovitě nebo plynule [7]. Při stupňovitém řízení se používají motory se dvěma nebo třemi stupni otáček, přičemž změna otáček se realizuje skokově přepínáním počtu pólů. Další možností je řízení na základě změny napětí, při němž se výkon stupňovitě mění – například při pěti stupních odpovídá každému stupni 20 % výkonu. Energeticky nejvýhodnější řízení výkonu zajistí frekvenční měnič, který reguluje výkon ventilátorů plynule od 0 do 100 %.

Obvod regulace větrání podle kvality je doplněn nezávislým obvodem pro regulaci teploty vzduchu. Teplota se měří snímačem osazeným v prostoru, případně v odvodním potrubí. Regulátor teploty na základě vzniklé regulační odchylky ovládá regulační ventil ohřívače nebo chladiče, který je zapojen v sekvenci. Pokud se vzduchotechnické zařízení provozuje s podílem oběhového vzduchu, jednotka přednostního výběru porovná signál z regulátoru kvality a regulátoru teploty vzduchu a podle maximální hodnoty vyšle signál pohonu klapek.

Zařízení s jednostupňovým ventilátorem
Nejjednodušeji můžeme řídit kvalitu vnitřního vzduchu dvoupolohovým ovládáním jednoho nebo více ventilátorů. Tento způsob se používá u jednoduchých aplikací, kde se pohon ventilátoru řídí časovým spínačem nebo ručním ovládáním (např. odsávání vzduchu z koupelny a WC).

Zařízení s dvoustupňovým ventilátorem
Pokud se vzduchotechnická jednotka provozuje na podíl oběhového vzduchu, klapka čerstvého vzduchu je nastavena na hygienické minimum. Při zvýšení koncentrace škodliviny regulátor zapne ventilátor na první stupeň otáček. Při dalším zhoršování kvality vzduchu se postupně začne otevírat klapka čerstvého vzduchu až do maximální polohy, přičemž se adekvátně snižuje podíl oběhového vzduchu. Druhý stupeň otáček ventilátoru se zapíná až při plném otevření klapky čerstvého vzduchu (obr. 8). Pokud je jednotka provozována jen na čerstvý vzduch, klapka čerstvého vzduchu zůstává otevřena v maximální poloze během celého provozu. Při zhoršení kvality vzduchu regulátor zapne ventilátor nejprve na první stupeň otáček a při dalším zvyšování koncentrace škodliviny na druhý stupeň otáček.

Obr. 8 Zařízení s podílem oběhového vzduchu a s dvoustupňovým ventilátorem (I, II) [6]	Obr. 9 Zařízení s podílem oběhového vzduchu a ventilátorem s plynulou regulací výkonu [6]

Zařízení s ventilátorem s plynulou regulací otáček
U tohoto způsobu řízení se používají ventilátory s regulovatelnými otáčkami s frekvenčním měničem nebo změnou napětí. Při zhoršení kvality vzduchu regulátor zapne ventilátor na minimální otáčky. Klapka čerstvého vzduchu se otevře do maximální polohy. Při dalším zhoršování kvality vzduchu se otáčky ventilátoru plynule zvyšují (obr. 9).

Graf na obr. 10 demonstruje různé možnosti provozu vzduchotechnického zařízení s požadovanou regulací kvality vzduchu na základě různých kritérií.

• Doba provozu: Během této časové etapy se v objektu nacházejí lidé. Vzduchotechnické zařízení musí zabezpečit požadovanou kvalitu vzduchu.
• Doba výměny vzduchu před příchodem osob: Dobrá kvalita vzduchu se musí zabezpečit již před obsazením objektu lidmi. Tato etapa končí při začátku provozu budovy. Zařízení běží na nejvyšší otáčky ventilátoru se stoprocentním podílem čerstvého vzduchu.
• Doba dodatečné výměny vzduchu: V tomto úseku – mimo dobu provozu – se zamezuje usazení pachů. Začíná na konci doby provozu na základě informace snímače IAQ a končí nejpozději po nastavené časové periodě.
• Doba nuceného větrání: Je to limitovaná doba během provozu nebo mimo něj na základě manuálního spuštění tlačítkem. Zařízení pracuje na maximální otáčky ventilátorů se stoprocentním podílem venkovního vzduchu.
• Zachycení přítomnosti osob: Takový provoz může být v prostorách, které jsou využívány nepravidelně. Zařízení se spustí na základě signálu z detektoru pohybu.
• Koordinace s regulačním obvodem prostorové teploty: Nezávisle na potřebě větrání musí být zabezpečen tepelný komfort.

Závěr
Regulací větrání podle kvality vzduchu se zajistí vnitřní prostředí, které zvyšuje produktivitu práce, příznivě ovlivňuje zdravotní stav uživatelů a zároveň šetří provozní náklady. Vhodně zvoleným snímačem, jeho umístěním a regulační strategií může být výrazně snížena spotřeba energie. Úspor je dosaženo snížením průtoku přiváděného venkovního vzduchu podle potřeby.

Regulace větrání podle kvality vnitřního vzduchu je vhodným řešením zejména pro jednozónové velkoprostorové místnosti s proměnlivou obsazeností během dne, jako jsou společenské místnosti, přednáškové sály, prodejny, kina, restaurace, bary, atria hotelů a podobně. Řízení větrání podle koncentrace CO₂ je vhodné v případech, kdy je člověk hlavním zdrojem znečištění vnitřního prostředí. V budovách, kde je třeba odvádět také škodliviny nesouvisejících s metabolismem člověka (kuchyně, průmyslové a laboratorní prostory), je vhodné osadit snímače směsi plynů. Regulace podle skutečné potřeby může pomoci také například při korekci návrhu vzduchotechnického zařízení, je-li reálné obsazení prostoru nižší, než se předpokládalo při jeho návrhu.

Poznámka recenzenta: 
U rozlehlých místností nemusí jedno prostorové čidlo odpovídat celkovém stavu vnitřního vzduchu. Proto se doporučuje umístění čidla do odvodního vzduchovodu nebo použití více prostorových čidel. Systém pak vyhodnocuje vážený průměr.

Literatura
1.    Firemní materiály firmy Protronix.
2.    Firemní 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.
5.    www.commercial.carrier.com: Demand Controlled Ventilation System Design.
6.     www.siemens.com: Regeln und Steuern von Luftungs-/Klimaanlagen.
7.    Zmrhal, V.: Prvky větracích a klimatizačních zařízení (I) – 2. část: Ventilátory.      www.tzb-info.cz    
8.    Firemní podklady firmy Sauter.

Ing. Daniela Koudelková, Ph.D.
Recenzoval: Ing. Vladimír Zmrhal, Ph.D.
Obrázky: firemní materiály Protronix, Honeywell, Sauter, Siemens a [3] 
Foto: Dano Veselský

Autorka působí na Katedře technických zařízení budov SvF STU v Bratislavě.

Článek vznikl s podporou projektu Vega č. 1/1052/11.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.

{R1}