Главная >  Инжиниринг 

 

Управляемая вентиляция. Differential CO2 Based Demand Control Ventilation (Maximum Energy Savings & Optimized IAQ)
History, Theory and Myths, Stephen M. Di Giacomo, P.E., CEM
Energy Management Associates, Inc (EMA),
Energy Engineering, v.96., No.5., 1999

 

Стивен М. Ди Джакомо,
Ассоциация Энергоменеджмента, Бостон

 

Резюме

 

Перевод выполнен энергосервисной компанией Экологические системы

 

Эта статья прямо указывает на многочисленные неправильные понимания сущности этой технологии, равно, как и ее применений в качестве энергосберегающего мероприятия (ЭСМ).

 

Управляемая вентиляция (Demand Control Ventilation = DCV), использует непрерывные измерения концентрации двуокиси углерода извне и изнутри (дифференциальные измерения), является элегантной методологией управления (с замкнутым контуром обратной связи) работой системы HVAC, позволяющей устойчивый доступ свежего воздуха (CFM) для людей.

 

DCV, используемая, как энергосберегающий способ модернизации возвратной HVAC системы смешения с переменным объемом воздуха (VAV) или постоянным объемом (CV) воздуха, может сберегать энергию, если она функционирует согласно существующим методологиям управления энергосбережением.

 

Ниже приведены некоторые выгоды внедрения технологии DCV , использующей дифференциальные измерения двуокиси углерода:
Оценивает системы с завышенным воздухообменом и системы, которые занижают или завышают объем воздухообмена (т.е. VAV - переменный объем воздуха);
Позволяет использовать существующее компьютерное управление и оборудование, одновременно сводя затраты к абсолютному минимуму;
Сберегает значительное количество электроэнергии и тепла - расчетный простой период окупаемости составляет менее 10 месяцев для главной библиотеки медицинской школы;
Особенно подходит для помещений учебного характера: аудиторий, классных комнат, библиотек, гимназий, а также систем VAV;
Автоматически оптимизирует уровень качества воздуха IAQ и одновременно совместима с стандартами ASHRAE 62-1989 Вентиляция для приемлемого качества внутреннего воздуха , OSHA и NIOSH по отношению к концентрации двуокиси углерода - очень мощное законодательное средство;
Улучшает управление температурой внутри помещения и относительной влажностью в системах малого размера;
Уменьшает риск заморозки контуров из-за увеличения рециркуляции воздуха.

 

Например, если существует управление экономайзером свободного охлаждения, тогда инженер должен предполагать, что оно продолжит работать и после модернизации

 

Это подразумевает, что алгоритмы управления DCV могут быть перепрограммированы на компьютере, не мешая работе обычного охлаждения - иначе увеличится потребление энергии.

 

ASHRAE 62-1989 Вентиляция для приемлемого качества внутреннего воздуха рассматривается как стандарт для разработки воздухообмена.

 

Введение

 

При очень немногочисленных исключениях, в большинстве зданий сегодня используется метод №1, как средство воздухообмена. Этот метод, в общем, уменьшает загрязнения, производимые нами, обитателями зданий.

 

Фактически, предполагается 2 метода для достижения приемлемого качества внутреннего воздуха:
Метод №1 Процедура кратности воздухообмена - решением для уменьшения загрязнения является разбавление; например: (смотри таблицу 2 стандарта) офисы обеспечивают минимум 20 CFM на человека свежего воздуха; проверьте ваши местные энергетические законы, есть ли в них указание на более 20 CFM на человека, но будьте готовы разработать и/или управлять величиной менее чем 20 CFM на человека.
Метод №2 Процедура IAQ - если все известные загрязнители могут быть определены и удалены, например, фильтрацией воздуха или химической абсорбцией, тогда процедура IAQ может заменить процедуру воздухообмена.

 

Стратегия DCV основана на ASHRAE 62-1989 и может обеспечить следующие выгоды:
Оценка систем с недостаточным воздухообменом, управление ими и обеспечение энергосбережений во время низкой занятости помещений;
Обеспечение автоматического учета соответствия ASHRAE 62-1989;
Обеспечение автоматического учета соответствия OSHA и NIOSH по уровням внутренней концентрации СО2;
Автоматическое обеспечение достижения максимальной кратности воздухообмена во время максимальной занятости;
Соблюдение преимуществ при уменьшенной занятости, так же как и обеспечение утренней очистки и фильтрации воздуха;
Обеспечение улучшенного комфорта благодаря управлению уровнями температуры и влажности в недостаточно определенных системах.

 

Эта статья посвящена исключительно ASHRAE 62-1989 и процедуре кратности воздухообмена (метод № , использующей стратегию DCV с дифференциальными измерениями CO2 с учетом текущей занятости помещения.

 

ASHRAE 62-1989R определяет CO2 DCV: Основанная на дифференциальных измерениях СО2 управляемая вентиляция определяет концентрацию СО2 в качестве идентификатора концентрации загрязнителей, образуемых работающими в помещении, таких как биологические отходы, обеспечивая поддержание воздухообмена во время низкой занятости помещений. СО2 , в общем, не является производственным загрязнителем в зданиях. Однако, СО2 является надежным идентификатором биологических отходов от людей и, следовательно, может достаточно точно использоваться для управления кратностью воздухообмена, зависящей от количества работающих в помещении.

 

Определение управляемого потреблением воздухообмена (DCV)

 

Вентиляция

 

Говоря более обще, термин управляемая вентиляция (DCV) относится к методам улучшения систем вентиляции - в частности, является средством регулирования кратности воздухообмена в ответ на изменение занятости помещения.

 

Он основан на хорошо известной аксиоме средство для уменьшения загрязнения воздуха - это его разбавление .

 

Вентиляция - это процесс удаления загрязнителей посредством разбавления.

 

Например: работающий грузовик испускает СО2, СО, NOX, SOX и частично продукты сгорания ароматичных углеводородов на территории предприятия. Как и на многих других предприятиях устройство для всоса внешнего воздуха находится на территории предприятия и указанные выше газы всасываются вместе с потоком воздуха и распределяются по всему зданию.

 

Предполагается, что внешний воздух считается свежим воздухом. Хотя имеются периоды времени в течении года и в течении дня, когда внешний воздух не является на самом деле свежим и функции разбавления выполняются крайне плохо. В некоторых случаях воздухообмен за счет внешнего воздуха на самом деле ухудшает и снижает качество внутреннего воздуха.

 

Общие неправильные предтавления

 

Стратегия дифференциальных измерений СО2 DCV помогают избежать подобного положения в отличии от других стратегий. ГАЗ-ЗАГРЯЗНИТЕЛЬ N mg / min / person ацетон 0.054166 Аммиак 0.0258333 сероуглерод 0.0028125 фенол 0.00763889 Butyric acid (какая кислота?) 0.0459028 Метан 0.0551389

 

Важно отметить, что СО2 не относится к списку загрязнителей, приведенному выше. Согласно отчетам NIOSH и OSHA СО2 не является загрязнителем, пока его концентрация не превышает, соответственно, 5000 ppm и 10000 ppm в течение длительного периода времени. Для краткого временного промежутка оба источника приводят цифру 30000 ppm. При достижении 5% или 50000 ppm следует уже одевать противогаз.

 

( СО2 = загрязнитель .

 

Ниже приведен отрывок из ASHRAE 62-1989, раздел D, который прямо указывает на неправильность этого представления:

 

( Нам требуется большой воздухообмен, поскольку люди дышат кислородом; недостаток кислорода делает нас больными .

 

Приведенные выше цифры получены из уравнений устойчивости; так что самой первой и самой главной причиной, по которой мы вентилируем, является удаление запаха, и СО2 является великолепным индикатором для измерения воздухообмена. Даже при 3 CFM на персону вентилируемого воздуха, имеется достаточно устойчивая равновесная концентрация кислорода, достаточная для большинства работающих (хотя запах достаточно силен). Исключением могут быть люди с сильными расстройствами дыхания, такими, как эмфизема.

 

Норма потребления кислорода составляет 0.36 литра/мин (0.013 куб.футов/минуту) когда уровень активности составляет 1.2 met. При воздухообмене с кратностью 15 CFM и уровнем активности 1.2 единиц met , уровень кислорода в помещении уменьшается от внешней концентрации до 20.9%. Так что содержание кислорода комнаты уменьшается с 21% до 20.9%, изменение составляет только 0.5%. Концентрация же СО2 повышается с фоновой, равной 0.03% (300 ppm) до 0.1% (1000 ppm), изменение составляет 230%. Так что разбавление (уменьшение содержания) СО2 часто значительно более важно, чем уменьшение содержания кислорода.

 

Это наше основное ошибочное мнение. Об этом в ASHRAE 62-1989 говорится в контексте. ASHRAE 62-1989 устанавливает, например, что для обеспечения устой-

 

( ASHRAE утверждает, что IAQ является компромиссом для нас, когда внутренний уровень СО2 в помещениях превышают 1000 ppm.

 

Сin = 10600 / СFMOA на персону + Сout

 

чивого 15 CFM на персону вентилируемого воздуха (для классных комнат), нам требуется установить концентрацию внутреннего воздуха в 1000 ppm СО2 при внешней концентрации в 300 ppm СО2 и уровне met (активности) равном 1.2.

 

Cin » 1000 ppm CO2

 

Cin = 10600/15 + 300 ppm CO2

 

( Датчики СО2 дороги, неточны и требуют частой калибровки .

 

Предположим, что окружающее Сout измеряется при 550 ppm СО2 (обычная реальная концентрация во многих городах). Тогда внутреннее Cin = 1256 ppm СО2 (равновесное состояние) является приемлемой внутренней концентрацией согласно Таблице 2 в ASHRAE 62-1989 (CFM/персона) и NIOSH и OSHA по отношению к общей концентрации СО2 в течении длительных промежутков времени.

 

Большинство датчиков монтируется на внутренних трубах или внутри на стенах и их стоимость вполовину меньше, чем стоимость внешних датчиков.

 

Размещаемый снаружи (внешний) датчик типа NDIR имеет стоимость порядка $100 Однако он, как и все подобные, снабжен бесчисленными RTU и AHU для систем EMS/BAS. Так что $1000 за него в самом деле дороговато для многих предприятий.

 

По отношению к интервалу между калибровками датчика. Я рекомендовал бы проводить калибровку 1 раз в год, хотя некоторые производители утверждают, что необходима калибровка 2 раза в год.

 

По отношению к точности и надежности, все эти вопросы просмотрите в спецификациях производителя и выберите такой датчик, какой вам соответствует.

 

( VOC датчики могут свободно заменять СО2 датчики

 

Не забудьте, что утреннее проветривание - самый быстрый и эффективный метод, хотя и не очень благоприятный для ваших датчиков. Выполняйте эту процедуру хотя бы раз ежедневно.

 

( Я могу управлять офисным воздухообменом, используя только датчик СО2, если я работаю при 1000 ppm СО2.

 

Датчики VOC (Volatile Organic Compound = летучее органическое соединение) не могут так просто заменять датчики СО2, поскольку они:
Не могут измерять концентрацию CO2;
Реагируют различным образом на различные загрязнители;
Не видят различий между потенциально опасным загрязнителем воздуха и безопасным запахом (т.е. не отличают запаха духов или крема для бритья от бензина или фенола);

 

Второе, из графика видно, что для 20 CFM / человек требуется концентрация 470 ppm СО2 во внешнем воздухе (предполагается точное распределение вентиляции). В любое время если концентрация выше 470, то мы превышаем воздухообмен, а если ниже 470 - имеем недостаток воздухообмена.

 

Первое (смотри уравнение если мы работаем при внутреннем уровне 1000 ppm СО2 и ПРЕДПОЛАГАЕМ, что концентрация СО2 во внешнем воздухе составляет 300 ppm, то мы обеспечиваем только 15 CFM /человек воздухообмена (предполагая 100% эффективности вентиляции), что меньше, чем 20 CFM / персона, требуемые ASHRAE!

 

Почему используется двуокись углерода? Почему не используется какой-то другой газ? Приведем ниже следующие причины использования двуокиси углерода как предсказателя занятости:
Легко измеряются внешние и внутренние концентрации СО2 (дифференциальные измерения);
Двуокись углерода генерируется людьми в предсказуемых количествах; во время сна люди еще выделяют биоаэрозольные загрязнители (запах);
Двуокись углерода является великолепным индикатором генерируемых людей аэрозолей;
CFM/ человек может быть вычислена, когда имеются 3 условия:
рассчитана концентрация внешней двуокиси углерода;
рассчитана концентрация внутренней двуокиси углерода;
рассчитана норма генерации двуокиси углерода на человека;
Двуокись углерода инертна (то есть не реагирует с другими газами и медленно распадается).

 

Двуокись углерода (CO как предсказатель занятости

 

Ниже приведено уравнение, которое управляет управляемым потреблением воздухообменом:

 

Уравнение стационарного статистического равновесия

 

Произведем расчеты по этому уравнению.

 

Данное уравнение является уравнением устойчивости или уравнением равновесия согласно ASHRAE 62-1989.

 

V = объем в кубических футах;

 

g = 0.0106 кубических футов в минуту на человека (CFM / человек) СО2 для уровня met равного 1.2

 

V * I = CFM вентилируемого воздуха (CFMOA = C = концентрация CO2 в ppmvol ;

 

I = (кубические футы воздуха в минуту (CFM) / объем в куб.футах) = изменение объема воздуха в минуту;

 

Так что

 

(Cin - C out) = (0.0106 CFM на человека / CFMOA на человека) * 106

 

и

 

(Cin - C out) = 10600 CFMOA на человека

 

Пример: какой дифференциальный набор точек должен быть установлен для получения 20 CFM на человека при уровне met равном 1.2 ?

 

CFMOA на человека = 10600 / (Cin - C out)

 

(Cin - C out) = 530 ppm CO2

 

(Cin - C out) = 10600/ 20 CFM на человека

 

Так что управление только по внутренним датчикам являются РИСКОВАННЫМ БИЗНЕСОМ, как видно из всех расчетов!

 

DC = фиксированные дифференциальные 530 ppm CO2

 

Театры VAV системы Классные комнаты Магазины розничной продажи Лекционные залы Библиотеки Музеи Офисы Аэропорты Аудитории Залы для заседаний Конференц-залы

 

Рекомендуемые типы помещений

 

Что такое фаза 1 управляемой СО2 вентиляции - анализ?

 

Подход DCV особо полезен для помещений, где количество людей изменяется значительно по времени и / или которые имеют значительный объем.

 

Из-за большой, но переменной занятости помещений студентами, особенно в летние месяцы и зимние каникулы, определено, что соблюдение норм вентиляции DCV, необходимых для достижения 20 CFM / на человека и соответствующих ASHRAE 62-1989, имеет простой срок окупаемости в 10 месяцев.

 

Например, мы уже завершили фазу 1 DCV CO2 - анализ университетской библиотеки в Филадельфии. Стратегия анализа заключалась в непрерывной поддержке свежего воздуха при текущем уровне занятости.

 

Вентиляция DCV может сберегать большое количество энергии, одновременно автоматически учитывая совместимость с ASHRAE 62-1989 , NIOSH и OSHA. Важна совместимость с ASHRAE, поскольку стандарты воздухообмена многих штатов основаны на стандарте ASHRAE 62-1989.

 

В результате, предварительное обследование и анализ (фаза оценили HVAC вентиляторные системы с постоянно установленными датчиками СО2 как системы с недостаточным воздухообменом. Затраты на внедрение и выгоды сбережений приведены в отчете. В случае, когда существуют хронический недостаток воздухообмена, инженер должен проверить затраты / выгоды технологий теплообменника и, вероятно, даже системы фильтрации воздуха (подход IAQ), если загрязнители определены и затраты на фильтрацию эффективны.

 

Учитывая усилившееся дерегулирование электроэнергетики и адаптацию к существующим стратегиям цен реального времени, такие сбережения в пиковые часы особенно важны.

 

Не является неожиданностью и то, что для многих HVAC систем стратегия DCV позволяет большое сбережение энергии, особенно в пиковые часы работы.

 

В результате описанного выше анализа Фазы 1 оценивается размер систем HVAC с постоянно установленными датчиками СО Затраты на внедрение и выгоды сбережений также указываются в отчете.

 

Анализ Фазы 1 DCV
Текущие измерения уровней СО2 в зонах точным и тщательно калиброванным портативным, ручным измерителем СО2;
Текущие измерения уровней СО2 во внешнем, свежем воздухе;
Вычисление текущей устойчивой кратности воздухообмена CFM/человек;
Оценка уровней занятости и сравнение с текущим уровнем;
Проверка систем HVAC с вентиляторами и систем распределения воздуха с точки зрения распределения;
Подтверждение рабочих параметров (установки экономайзера, время работы оборудования, и установки поддержания температуры)
Определение потенциальных сбережений энергии CFM / человек, основанных на погодных данных, затратах на единицу продукции, полученных дифференциальных уровнях СО2 и на полученных данных занятости, использующих ПО моделирования – учитывая кредиты на вентиляцию ;
Подготовка предварительного и конфиденциального отчета по оценке фазы 1 с сопутствующими расходами на конструирование и оценке сбережений.

 

Особые примечания , касающиеся VAV систем

 

Поскольку датчики СО2 постоянно установлены и встроены в существующую систему EMS/BAS, может быть проведена историческая регистрация данных, необходимая для Конечной Разработки и Внедрения DCV CO2 (фаза , во время которой:
Оцениваются затраты на внедрение DCV посредством инженерного расчета (необязательно);
Потенциальные энергосбережения повторно оцениваются и вновь подтверждаются (необязательно и рекомендательно);
Могут быть изучены, усовершенствованы существующие алгоритмы управления и внедрены стратегии и программирование DCV;
Более подробно изучены характеристики недостаточного воздухообмена (необязательно);
Могут быть внедрены методы мониторинга (диспетчеризации) и верификации (M&V);
Должны быть обеспечены управление внедрением и услуги по запуску/ инжинирингу

 

Случай № VAV с избытком воздухообмена

 

DCV с дифференциальным измерением СО2, может разрешить проблемы старых систем VAV с недостатком или избытком воздухообмена.

 

Случай №2 с недостатком воздухообмена

 

VAV системы смешанного воздуха установлены так, что обеспечивают необходимый объем воздухообмена при установке блоков VAV на минимум и избыток воздухообмена в другом режиме (блоки обычно полностью открыты в летние месяцы).

 

DCV с дифференциальными измерениями СО2 может регулировать минимум воздухообмена независимо от положения блока VAV в течение всего года, обеспечивая увеличение / уменьшение воздухообмена в зависимости от требований в обоих случаях.

 

VAV системы смешанного воздуха установлены так, что обеспечивают необходимый объем воздухообмена при установке блоков VAV на максимум и недостаток воздухообмена в другом режиме (блоки обычно полностью закрыты в зимние и переходные месяцы).

 

Премия

 

В результате, выгоды DCV таковы:
Оценка систем с завышенным воздухообменом и систем, которые занижают или завышают объем воздухообмена (т.е. VAV - переменный объем воздуха);
Возможность использования существующего компьютерного управления и оборудования, при одновременном сведении затрат к абсолютному минимуму;
Сбережение значительного количества электроэнергии и тепла - расчетный простой период окупаемости составляет менее 10 месяцев для главной библиотеки медицинской школы;
Возможность использования в помещениях учебного характера: аудиториях, классных комнатах, библиотеках, гимназиях, а также в системах VAV;
Автоматическая оптимизация уровня качества воздуха IAQ и одновременная совместимость с стандартами ASHRAE 62-1989 Вентиляция для приемлемого качества внутреннего воздуха и OSHA и NIOSH по отношению к концентрации двуокиси углерода - очень мощное законодательное средство;
Улучшение управления температурой внутри помещения и относительной влажностью в системах заниженного размера;
Уменьшение риска заморозки контуров из-за увеличения рециркуляции воздуха.

 

Таблица Стандартные уровни met различных действий

 

Дифференциальные измерения двуокиси углерода могут использоваться как средство сдачи-приемки проекта на основании показателя воздухообмена CFM/человек и распределения воздухообмена - великолепное дополнительное средство к ТАВ процессу.

 

MET

 

ДЕЙСТВИЯ

 

1.0

 

Сидение, спокойно

 

1.0

 

Чтение и запись, сидя

 

1.1

 

Печатание на машинке

 

1.2

 

Выпиливание, сидя

 

1.4

 

Выпиливание, стоя

 

2.0

 

Бег, скорость 0.89 м/сек

 

2.0-3.4

 

Уборка помещения

 

3.0-4.0

 

Физические упражнения

 

1.0 меt = 18.4 БТЕ / ЧАС * КВ. ФУТ (БТЕ = Британская Тепловая Единица)

 

Met = уровень активности тела

 

Литература :

 

Дополнительно, DCV CO2 имеет ряд дополнительных преимуществ, так как DCV позволяет использовать методологию обратной связи, позволяющую:
автоматическую регулировку последовательно загрязняемых фильтров и изменений потоков воздуха системы
распознавание и автоматическое реагирование на загрязнения от выхлопов автомобилей;
непрерывное регулирование нагрузки воздухообмена в зависимости от нагрузки людей.

 

Таблица № ДОПУСТИМЫЕ СТАНДАРТЫ ( и СО ПО ВСЕМУ МИРУ Загрязнитель Canadian(ref. C-2 WHO/Europe(ref. C-2 NIOSH REL(ref. C-2 OSHA(ref. C-1 Формальдегид 0.1 ppm [ L]0.05 ppm [L] b 0.081 ppm [30m] 0.016 ppm0.1 ppm [15m] 0.75 ppm2 ppm [15m] Двуокись углерода,СО2 3500 ppm [L] 5000 ppm30000 ppm[15m] 10000 ppm30000 ppm[15m] Моноокись углеродаСО 11 ppm [8h]25 ppm [1h] 87 ppm [15m]52 ppm [30m]26 ppm [1 h]8.7 ppm [8h] 35 ppm 200 ppm [C] 35 ppm200 ppm [5m]1500 [C] Двуокись азотаNO2 0.05 ppm0/25 ppm [1h] 0.2 ppm [1h]0.08 ppm[24h] 1 ppm [15m] 1 ppm [15m] Озон 0.12 ppm [1h] 0.08-0.1 ppm[1h]0.05-0.06 ppm[8h] 0.1 ppm [C] 0.1 ppm0.3 ppm [15m] Частицы < 2.5 MMADd 0.1 mg/m3 [1h]0.040 mg/m3[L] 5 mg/m3 Частицы< 10 MMADd Всего, частицы 15 mg/m3 Двуокись серыSO2 0.38 ppm [5m]0.019 ppm 0.19 ppm [10m]0.13 ppm [1h] 2 ppm5 ppm [15m] 2 ppm5 ppm [15m] Свинец Минимальная Выдержка 0.5-1.0 mg/m3 [1y] < 0.1 mg/m3 [10h] 0.05 mg/m3 Радон 2.7 pCi/L [1y]

 

ASHRAE, ANSI /ASHRAE Standard 62-198 Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc., 1989
ASHRAE, ANSI /ASHRAE Standard 62-1989R. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc., August 1996/
Bearg D., Indoor Air Quality and HVAC Systems, 1993 Lewis publishers
Wang TC, A Study of Bioeffluents in a College Classroom, ASHRAE Transactions 81 (part r) pp 32-34

 

 

Stephen M. Di Giacomo, P.E., CEM
Energy Management Associates, Inc (EMA)
One Thompson Square, Boston, MA 02129

 



 

Многопрофильная больница Калининграда. Автоматизированные насосные стан. О концепции энергоэффективного освещения. Энергосберегающие технологии КАМАЗа. Методика расчета норм удельного.

 

Главная >  Инжиниринг 

0.0027