Оптимизация работы приточной вентиляции машинного зала на основе контроля концентрации СО2 и температуры приточного воздуха

Введение

Машинные залы промышленных предприятий, насосных и компрессорных станций, а также энергетических объектов характеризуются значительными тепловыделениями от работающего оборудования. Системы вентиляции и кондиционирования таких помещений должны обеспечивать не только удаление избыточного тепла, но и поддержание допустимого качества воздуха в зоне дыхания персонала. Традиционные решения с постоянным расходом воздуха часто приводят к перерасходу энергии, особенно в периоды неполной загрузки оборудования или отсутствия людей.

Современные тенденции в области ОВиК (отопления, вентиляции и кондиционирования) направлены на внедрение энергоэффективных алгоритмов управления, позволяющих адаптировать производительность систем к реальным потребностям. Ключевую роль здесь играют датчики контроля параметров микроклимата, в первую очередь – температуры и концентрации CO₂. Настоящая статья представляет обзор методов оптимизации приточной вентиляции машинных залов на основе этих сигналов, опираясь на действующие нормативные документы и практический опыт.

Нормативная база проектирования вентиляции машинных залов

При разработке систем вентиляции производственных помещений, включая машинные залы, необходимо руководствоваться комплексом нормативных документов. Основные требования к микроклимату и воздухообмену изложены в:

1. СП 60.13330.2020 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха». Этот документ устанавливает общие принципы проектирования, включая расчет воздухообмена по выделениям вредных веществ и теплопоступлениям. Важно, что допускается применение систем с переменным расходом воздуха при соответствующем обосновании;
2. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Хотя стандарт ориентирован на гражданские здания, его положения часто применяют для оценки комфортности условий труда (допустимые температуры, влажность, скорость движения воздуха). Для машинных залов с постоянным пребыванием людей (операторы, дежурный персонал) эти параметры критичны;
3. СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». Устанавливает предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Для CO₂, как интегрального показателя эффективности вентиляции, косвенно ориентируются на содержание не более 800–1000 ppm (0,08–0,1%) для обеспечения хорошего качества воздуха;
4. ГОСТ Р ЕН 13779-2007 «Вентиляция в нежилых зданиях». Содержит классификацию качества воздуха по концентрации CO2 и рекомендации по расходу наружного воздуха на человека (классы IDA 1–4).

В контексте оптимизации важно, что нормативы не предписывают жестко постоянный расход воздуха, а лишь требуют обеспечения допустимых параметров в рабочей зоне. Это открывает возможность для применения алгоритмов управления по потребности.

Параметры микроклимата машинного зала, подлежащие контролю

Для эффективного управления приточной вентиляцией необходимо контролировать два основных параметра:

1. Температура воздуха в рабочей зоне и температура притока. Машинные залы часто имеют избыточные явные тепловыделения. Задача вентиляции - ассимилировать эти теплоизбытки. Температура приточного воздуха (особенно в переходный и холодный периоды) может быть использована для экономии энергии: если наружный воздух достаточно холоден, его можно подавать без охлаждения или с минимальным подогревом, увеличивая расход для удаления тепла;
2. Концентрация CO₂. В машинных залах, где люди находятся не постоянно (осмотры, ремонтные работы), ориентироваться только на температуру недостаточно. Воздухообмен, рассчитанный на ассимиляцию тепла при работающем оборудовании, может быть избыточным в ночное время или в периоды отсутствия персонала. Однако если в помещении появляются люди, необходимо обеспечить удаление CO₂ и других биологических загрязнений. Датчик CO₂ в данном случае выступает как индикатор присутствия человека и эффективности вентиляции по санитарным нормам.

Использование этих двух параметров позволяет реализовать стратегию управления, при которой производительность системы определяется либо тепловой нагрузкой (если в помещении есть люди), либо санитарной нормой (если тепловыделения малы, а люди присутствуют).

Принципы оптимизации на основе VAV-систем и автоматизации

Ключевым техническим решением для реализации энергоэффективного управления являются системы с переменным расходом воздуха (Variable Air Volume – VAV). В отличие от традиционных CAV-систем (Constant Air Volume), где расход постоянен, VAV-системы позволяют плавно изменять производительность вентилятора и открытие воздушных клапанов в зависимости от сигналов датчиков.

Основные компоненты такой системы для машинного зала:

1. Приточная установка с центробежным вентилятором, оснащенным частотно-регулируемым приводом (ЧРП);
2. Система воздуховодов с регулируемыми VAV-терминалами (или общим регулирующим клапаном на магистрали);
3. Контроллер с возможностью программирования логики управления;
4. Датчики: датчик CO₂ в рабочей зоне (репрезентативная точка или канальный датчик на вытяжке), датчики температуры приточного и внутреннего воздуха.

Алгоритм управления может быть построен следующим образом:

1. Базовый режим: когда в помещении нет людей (CO₂ низкий, менее 600–700 ppm) и тепловыделения невелики (например, часть оборудования отключена), система поддерживает минимальный санитарный расход воздуха на уровне, достаточном для удаления общеобменных загрязнений (если предусмотрено нормами) или просто для предотвращения застоя (обычно 20–30% от номинала);
2. Режим по CO₂: при появлении людей датчик CO₂ фиксирует рост концентрации. Контроллер дает команду на увеличение расхода воздуха (через ЧРП и открытие клапанов) до тех пор, пока концентрация CO₂ не стабилизируется на заданном уровне (например, 800–900 ppm). Этот режим является приоритетным с точки зрения санитарии;
3. Режим по температуре: если, несмотря на работу вентиляции в режиме CO2, температура в помещении превышает допустимый предел (например, +28°C для теплого периода), система дополнительно увеличивает расход воздуха для ассимиляции теплоизбытков, переходя в режим «охлаждение». В холодное время, наоборот, может быть реализована стратегия минимизации расхода для снижения затрат на нагрев приточного воздуха;
4. Компенсация температуры притока: в переходные периоды (весна, осень) температура наружного воздуха может быть ниже требуемой в помещении. Если в системе нет калорифера подогрева, или он отключен для экономии, контроллер может ограничивать расход воздуха, чтобы избежать переохлаждения рабочей зоны.

Таким образом, система работает по принципу «приоритета санитарии» (CO₂) и «ограничения по тепловому комфорту».

Энергетическая и экономическая эффективность

Обзор литературных данных [4; 5; 6, с. 44-51] показывает, что применение VAV-систем с управлением по CO₂ и температуре в производственных помещениях позволяет достичь значительной экономии энергии:

1. Экономия электроэнергии на привод вентиляторов (согласно закону «куба» для вентиляторов) при снижении расхода на 20% может достигать почти 50% потребляемой мощности. При снижении расхода на 30% экономия энергии на вентиляторах составляет около 65–70%;
2. Экономия тепловой энергии на нагрев приточного воздуха в холодный период может составить от 20 до 40% в зависимости от режима работы помещения. Чем меньше времени люди находятся в зале, тем больше эффект;
3. Снижение затрат на охлаждение (если применяются калориферы охлаждения или кондиционеры) в теплый период за счет работы системы с минимально необходимым, а не избыточным расходом;

Для машинного зала, где оборудование работает круглосуточно, а люди присутствуют периодически (например, 8–12 часов в сутки), потенциал экономии особенно высок. Инвестиции в установку ЧРП, контроллера и датчиков CO2 окупаются, по данным производителей автоматики, за 1,5–3 года.

Примеры проектных решений и рекомендации

В практике проектирования для машинных залов рекомендуется следующий подход:

1. На этапе технического задания определить сценарии работы помещения: режим полной загрузки оборудования, режим дежурства, режим присутствия персонала;
2. Выполнить расчет воздухообмена для двух условий: по ассимиляции теплоизбытков (максимальный расход) и по санитарной норме на человека (минимальный расход);
3. Выбрать схему VAV-системы. Для небольших залов достаточно одного регулируемого клапана на притоке и частотного регулирования вентилятора. Для крупных залов с разветвленной сетью воздуховодов целесообразна установка нескольких VAV-терминалов с независимым регулированием по зонам;
4. Выбрать места установки датчиков CO₂. Оптимально - в рабочей зоне (на высоте 1,5 м от пола) или в вытяжном воздуховоде (интегральная оценка). Датчики температуры приточного воздуха устанавливаются непосредственно в приточном канале после вентилятора;
5. Запрограммировать контроллер на реализацию алгоритма, описанного в разделе 4, с защитой от «перерегулирования» и возможностью ручного приоритета.

Выводы:

1. Оптимизация работы приточной вентиляции машинных залов на основе контроля CO₂ и температуры является эффективным и нормативно обоснованным методом повышения энергоэффективности систем ОВиК;
2. Применение VAV-систем с частотным регулированием позволяет адаптировать производительность вентиляции к реальной потребности, определяемой присутствием людей (по CO₂) и тепловой нагрузкой (по температуре);
3. Использование датчика CO₂ в качестве основного сигнала для регулирования воздухообмена гарантирует соблюдение санитарно-гигиенических требований при одновременной экономии энергии в периоды отсутствия людей;
4. Обзор литературных данных подтверждает, что экономия энергии при внедрении таких систем может достигать 30–50% по сравнению с традиционными CAV-решениями;
5. Предложенные алгоритмы и схемы могут быть рекомендованы как для нового строительства, так и для реконструкции систем вентиляции действующих машинных залов.