Pastatų vidaus oro kokybės sistemų optimizavimas apima ne tik technologinius sprendinius, bet ir nuolatinį monitoringą, efektyvumo vertinimą bei tinkamą priežiūrą. KTU Statybos ir architektūros fakulteto dekanas prof. Andrius Jurelionis pabrėžia, kad oro kokybė, kurią daugelis traktuoja kaip antraeilę, tampa daug svarbesnė už šiluminį komfortą ar energijos sąnaudas. Ši tendencija ypač išryškėjo COVID pandemijos metu, kai pradėjome kitaip galvoti apie inžinerinių sistemų projektavimą ir parametrus, kuriuos norėtume stebėti realiuoju laiku.
Siekiant didesnio energinio efektyvumo, statomi vis sandaresni pastatai, todėl natūrali oro cirkuliacija sumažėja iki minimumo. Paradoksas, bet energiškai efektyvūs pastatai gali tapti nesveiki, jei neužtikrinamas tinkamas mechaninis vėdinimas.
Todėl, siekiant suderinti energinį efektyvumą su sveika pastato patalpų aplinka, oro kokybės sistemų optimizavimas tampa ne pasirinkimu, o būtinybe.
Prof. A. Jurelionio teigimu, dažniausiai suprojektuojame ir įrengiame mechaninio vėdinimo sistemas, tačiau per mažai jas prižiūrime, neįvertiname jų efektyvumo, neįrengiame tinkamų oro kokybės stebėsenos sistemų ir reaguojame tik tuomet, kai atsiranda nusiskundimų.
Oro kokybės poveikis žmogui
Kokių lūkesčių turime dėl patalpų oro kokybės gyvendami, dirbdami arba besilankydami pastatuose? Kad jame nebus kenksmingųjų cheminių medžiagų, nemalonių kvapų, kad nepatirsime neigiamo poveikio savo savijautai ar sveikatai.
Tačiau net jei pastato ore esančių teršalų koncentracija yra žemiau leidžiamosios ribos, žmogų veikia šių teršalų deriniai – tūkstančiai cheminių medžiagų, kurių bendrą poveikį ne visuomet galime numatyti.
Todėl kai kuriuose pastatuose galime jausti vadinamuosius ligoto pastato simptomus – akių, nosies dirginimą, lengvą svaigimą ar pykinimą, koncentracijos stoką. Išėjus iš pastato simptomai išnyksta, nes jie dažniausiai susiję su tam tikrų medžiagų koncentracijomis ir jų deriniais.
Net jei patalpų oras nesukelia akivaizdžiai matomų simptomų, jis gali mažinti darbingumą ar būti palankesne terpe užkrečiamųjų ligų plitimui. Nustatyta, kad efektyvus vėdinimas apie 30 proc. gali sumažinti užkrečiamųjų ligų plitimą pastate.
Ligų plitimui įtakos turi ir santykinis drėgnis pastate. Jei jis mažesnis nei 30 proc., virusinės ligos plinta greičiau. Oro kokybė veikia ir žmonių darbingumą. Jį galime 10–15 proc. padidinti efektyviau vėdindami patalpas ir taip sumažinti neurologinių simptomų (galvos skausmo, dėmesio sumažėjimo ir pan.) pasireiškimą.
Žinodami darbingumo nuostolius biurų pastatuose ir darbuotojų darbo užmokestį, galime lengvai įvertinti, kokius nuostolius patiriame dėl netinkamo vėdinimo. Jie visuomet yra gerokai didesni nei lėšos, reikalingos tinkamoms vėdinimo sistemoms įrengti ir prižiūrėti.
Kokius parametrus stebėti?
Vienas patikimiausių sensorių daugeliui žmonių – kvapas. Visuomeniniuose ir gyvenamuosiuose pastatuose tokiu kvapo sensoriumi galime laikyti ir CO2 koncentracijos rodiklį. Kadangi žmogus į aplinką išskiria tiek anglies dvideginį, tiek dar šimtus cheminių medžiagų, kurias pamatuoti yra kur kas sudėtingiau, CO2 koncentracija žmonių veiklos zonoje dažniausiai laikoma vėdinimo efektyvumo rodikliu.
Prof. Andrius Jurelionis pabrėžia, kad praktikoje kaip pagrindiniai oro kokybės indikatoriai dažniausiai naudojami CO2 koncentracijos jutikliai, nes CO2 yra integralus vėdinimo efektyvumą ir galimą užsikrėtimo riziką rodantis oro kokybės indikatorius.
Anglies dvideginio koncentracija tiesiogiai koreliuoja su žmonių buvimu patalpose ir oro apykaitos intensyvumu. Kai CO2 koncentracija viršija 1000 ppm, žmonės pradeda jausti diskomfortą, sumažėja darbingumas, o kai koncentracijos dar didesnės, gali atsirasti galvos skausmai ir koncentracijos sutrikimai.
CO2 koncentracija, oro temperatūra ir santykinis drėgnis yra įprastai matuojami parametrai, kuriuos galime naudoti pastato inžinerinėms sistemoms valdyti. Kintamojo našumo vėdinimo sistemos su anglies dvideginio jutikliais leidžia mums sumažinti vėdinimo našumą tuo metu, kai žmonių patalpose sumažėja, nustatant CO2 ribą ties 800–1000 ppm.
Tokios sistemos automatiškai reguliuoja oro srautus pagal faktinį poreikį, užtikrina optimalią oro kokybę ir kartu taupo energiją.
Taip pat šiuo metu yra galimybė naudoti santykinai nebrangius lakiųjų organinių junginių (VOC, TVOC) matuoklius. Juos kol kas įvardyčiau kaip papildomą galimybę stebėti oro kokybę, tačiau vėdinimo valdymas pagal jų duomenis yra gana sudėtingas dėl galimų staigių koncentracijos šuolių, kuriuos gali sukelti patalpų valymas, aerozolių naudojimas, galiausiai – žmonių naudojami kvepalai.
Šiuo metu stebimi epizodiniai lauko oro kietųjų dalelių (KD2.5, KD10) kiekio padidėjimai – tai iki 2,5 µm ir iki 10 µm skersmens dalelės, galinčios būti reikšmingai oro taršos komponentais. Pasaulio sveikatos organizacija rekomenduoja neviršyti 1 µg/m³ PM2.5 per 24 val., o Lietuvos higienos normos ribinė vertė yra 25 µg/m³.
Tačiau šildymo sezono metu, esant sausroms ar kilus gaisrams gali pasitaikyti epizodinių viršijimų. Kadangi vėdinimo sistemos gali įnešti lauko ore esančias daleles į patalpas, būtina tinkama filtracija ir zoninis stebėjimas. Vis dažniau svarstoma, kad ateityje pastatuose vėdinimas turėtų būti derinamas su oro valymo įrenginiais tais atvejais, kai išorės oro kokybė tampa labai prasta.
CO2 koncentracija paprastai matuojama viename taške, tačiau iš tikrųjų žmonių tankis pastate nevienodas: salėse, klasėse ir pan. erdvėse gali susiformuoti užteršto oro zonos, kurių tradicinis CO2 stebėjimas neužfiksuoja.
Todėl didesniam tikslumui taikomos zoninio monitoringo sistemos, karštųjų taškų analizės, integruojami patalpų užimtumo jutikliai. Šios sistemos išplečia vėdinimo logiką nuo vienodo vėdinimo visame pastate iki zoninio komforto modelių.
Mikroklimato palaikymas – kompleksinė temperatūros, drėgmės, oro judėjimo greičio ir šiluminės spinduliuotės kontrolė. Šie parametrai tarpusavyje susiję ir negali būti optimizuojami atskirai.
Vėdinimo efektyvumo optimizavimas
Vėdinimo efektyvumas – gebėjimas minimaliomis energijos sąnaudomis pašalinti užimtos patalpos zonos teršalus. Optimalus vėdinimo efektyvumas pasiekiamas, kai jo efektyvumo rodiklis εᵥ ≥ 0,9, tačiau praktikoje dėl netinkamo oro paskirstymo vertės dažnai yra gerokai mažesnės.
To priežastimi gali būti per maži atstumai tarp oro tiekiamųjų ir šalinamųjų angų, oro sluoksniavimasis pagal temperatūrą ir tankį, tad oro temperatūros svyravimai tiesiogiai koreliuoja su vėdinimo efektyvumu.
Nors oro sluoksniavimasis paprastai suvokiamas kaip problema, tačiau tinkamai valdoma ji tampa energijos sąnaudų taupymo įrankiu, jei laikomasi principo: apatiniame sluoksnyje švariausias oras, viršutiniame surenkami teršalai.
Tai padeda sumažinti šildymo poreikį (šildomas tik apatinis sluoksnis), efektyviau pašalinti CO2, didinti vėdinimo efektyvumo koeficientą.
Vėdinimo efektyvumui įtakos turi oro srautų intensyvumas, oro paskirstymas, šviežio oro kiekio ir recirkuliacijos santykis.
Kintamojo oro srauto (VAV) sistemos leidžia dinamiškai reguliuoti oro srautus pagal realų poreikį. Jos veikia kartu su CO2 ir patalpų užimtumo davikliais, automatiškai prisitaiko prie kintančių sąlygų.
KTU atlikti sąnaudų ir naudos tyrimai parodė, kad jos sunkiai atsiperka individualiuose biuruose, tačiau yra itin efektyvios konferencijų salėse, auditorijose, prekybos centruose.
Vėdinimo sistemos efektyvumui didinti labai svarbu, kad didesnė švaraus oro dalis būtų ten, kur jo reikia – žmogaus kvėpavimo zonoje. Oro kokybės palaikymo sistemos šiandien turi reaguoti į žmonių elgseną, o ne ją ignoruoti, todėl reikia analizuoti darbo zonų pasiskirstymą, daugiau dėmesio skirti kvėpavimo zonai (0,1–1,8 m nuo grindų).
Prof. A. Jurelionio teigimu, Lietuvoje vis dar nepakankamai išnaudojamas išstumiamasis vėdinimas (angl. Displacement ventilation), kuris formuoja aukštyn nukreiptą oro srautą ir efektyviau pašalina žmonių išskiriamą taršą.
Šis metodas ypač efektyvus didelėse erdvėse su aukštomis lubomis, kuriose šviežias vėsesnis oras tiekiamas patalpos apačioje, o užterštas šiltesnis oras šalinamas per lubas.
Projektuojant maišomojo (angl. Mixing) vėdinimo sistemas, kai į patalpas tiekiamas švarus oras suformuoja tokius oro srautus, kad oro teršalai atskiedžiami visame patalpos tūryje, rekomenduojama numatyti srautų reguliavimo galimybę – ne tik oro kiekio, tiekiamo į patalpą, bet ir oro srovių krypties.
Daugelyje pastatų veikia mišraus srauto vėdinimo sistemos. Pasak prof. A. Jurelionio, šis metodas mažiau efektyvus nei išstumiamasis vėdinimas, tačiau vis dar plačiai taikomas dėl paprastesnio įrengimo ir mažesnių pradinių investicijų.
Šildymo, vėdinimo ir oro kondicionavimo sistemų integracija oro kokybės valdymo sistemoje
KTU Statybos ir architektūros fakulteto dekanas prof. Andrius Jurelionis akcentuoja, kad esminis veiksnys, užtikrinantis efektyvų oro kokybės valdymą, yra šildymo, vėdinimo ir oro kondicionavimo (ŠVOK) sistemų integracija.
Šiuo atveju dideli kompleksiniai sprendimai gula tiek ant architektų, tiek ant inžinerinių sistemų projektuotojų pečių – jie turėtų dirbti kartu, parinkti pasyvias ir aktyvias oro kokybės valdymo technologijas.
Integruotas ŠVOK valdymas turi remtis trimis pagrindiniais komponentais: termodinamine integracija (šilumos ir drėgmės mainų procesų optimizavimu), aerodinamine integracija (oro srautų koordinavimu tarp sistemų komponentų), valdymo integracija (bendru automatizuotu sistemų valdymu). Tačiau praktikoje dažnai susiduriama su nepakankama ŠVOK sistemų integracija.
Priežastys – skirtingų gamintojų sistemų nesuderinamumas, skirtingi įrangos komunikacijos protokolai, nepakankama koordinacija rengiant projektą, netinkama vėdinimo sistemos priežiūra.
Oro apykaitos pastatuose problematika
Tarptautiniai standartai nurodo, kad oro kaita turi būti 10 l/s asmeniui (36 m³/h). Tačiau priklausomai nuo patalpos paskirties, užimtumo ir veiklos pobūdžio šie reikalavimai gali skirtis.
Biurų patalpose, kur vyrauja sėdimas darbas, gali pakakti minimalių normų, o sporto salėse ar gamybinėse patalpose oro poreikis gali būti kelis kartus didesnis. Oro apykaitos intensyvumas (ACH) yra pagrindinis vėdinimo sistemos našumo rodiklis.
Projektinės ACH vertės nustatomos pagal patalpos paskirtį ir užimtumą, tačiau praktikoje realios vertės dažnai 30–50 proc. nukrypsta nuo projektinių.
Neatitikties priežasčių gali būti daug. Kalbant chronologiškai, visų pirma, tai projektavimo etapo klaidos, kai atliekami supaprastinti skaičiavimai, neatsižvelgiama į pastato aerodinaminę elgseną, netiksliai įvertintas patalpų užimtumas.
Antra, nemažos dalies vėdinimo sistemų veikimas neatitinka projektinių parametrų dėl netinkamai sumontuotų ortakių, nekokybiškai atliktų derinimo darbų, automatikos programavimo klaidų.
Trečia, eksploatuojant vyksta vėdinimo sistemų degradacija ir tam įtakos turi užsiteršę filtrai, nusidėvėję ventiliatoriai, sklendžių gedimai, klaidingai jutiklių fiksuojami duomenys.
Reguliariai ir tinkamai neprižiūrint vėdinimo sistemų, užsiteršiant filtrams tiekiamojo oro srautas per 6 mėnesius gali sumažėti iki 60 proc. Sistemose gali pradėti kauptis mikrobiologinė tarša.
Todėl ypač svarbu ne tik priežiūra, bet ir vėdinimų sistemų testavimas bei reguliavimas matuojant oro srautus skirtingais režimais, įvertinant keliamo triukšmo lygį.
„Negalime nepaisyti ir klimato pokyčių.
Turime susitaikyti, kad per ekstremalius karščius ar šalčius temperatūra mūsų patalpose gali svyruoti, tam tikrais periodais patirtume mažiau komforto.
Tai turi tapti norma. Europos Komisijos paskelbtame „Level(s)“ standarte kalbama apie diskomforto laiko pastatuose ribojimą, tai yra beveik neišvengiama. Vis dėlto projektuoti pagal ekstremumus negalime“, – sako prof. A. Jurelionis.
Sistemų optimizavimo sprendimai
Nors pastatų vidaus oro kokybės sistemų optimizavimas visose pastato gyvavimo ciklo fazėse – nuo idėjos iki eksploatacijos – reikalauja sisteminio požiūrio, tačiau KTU mokslininkų atlikti tyrimai vis dėlto atskleidžia atotrūkį tarp projektinių sprendimų ir eksploatacijos realybės.
Neretai sistemos neveikia taip, kaip buvo suprojektuotos. Sėkmingo oro kokybės valdymo pagrindas – trys pagrindiniai ramsčiai: tikslus monitoringas, efektyvios inžinerinės sistemos ir tinkama priežiūra.
Tad investicijų efektyvumas tiesiogiai priklauso nuo sistemų eksploatacijos kokybės. Netinkamos eksploatacijos problemos dažniausiai būna kompleksinės – tiek techninės, tiek ekonominės, tiek organizacinės.
Pastaraisiais metais naujos mokslinės įžvalgos keičia požiūrį į oro kokybės sistemų valdymą: jis turi būti dinamiškas, duomenimis grindžiamas, gebantis prisitaikyti prie realių sąlygų ir naudotojų elgsenos.
Didžiausias šuolis įvyko pereinant nuo pastovaus našumo vėdinimo sistemos prie poreikiu valdomų oro tiekimo sistemų, integruojant jutiklius, dirbtinio intelekto analitiką ir pasitelkiant skaitmeninius dvynius.
Šios technologijos leidžia ne tik reaguoti į komforto ar oro kokybės nuokrypius, bet ir juos prognozuoti dar prieš vartotojams pajuntant pokyčius.
Į pastato valdymo sistemas (BMS) integruojamos modernios stebėsenos sistemos leidžia ne tik stebėti, bet ir automatiškai valdyti oro kokybės parametrus. Duomenų analizė ir istorinių tendencijų stebėjimas padeda identifikuoti problemas ankstyvuoju etapu ir optimizuoti sistemų veikimą.
Modernios monitoringo sistemos analizuoja jutiklių duomenis, tačiau praktikoje dažnai susiduriama su jutiklių kalibravimo problemomis, jutiklių teikiamų duomenų nukrypimu nuo tikrosios vertės ir netinkama duomenų interpretacija.
Tokiais atvejais, net turint geras monitoringo sistemas, oro kokybės problemos lieka neidentifikuotos.
Realiojo laiko sprendimai ir automatizuotas optimizavimas
Modernus vidaus aplinkos valdymas remiasi tuo, kad duomenys nėra tik monitoringo įrankis, jie veikia kaip strateginis resursas.
Realiuoju laiku renkami oro kokybės parametrų duomenys leidžia automatiškai keisti vėdinimo režimus, kintant CO2 lygiui ar kitiems oro kokybei įtakos turintiems rodikliams, atlikti procesų auditą, rodantį, ar pastatas veikia taip, kaip buvo suprojektuotas, kurti modelius, rodančius, kaip spręsti galimas ateities problemas.
Pastatuose daugėja CO2, TVOC, PM2.5, PM10, drėgmės ir temperatūros jutiklių, tad duomenų surenkama daugiau. Vis dėlto problema ta, kad jutikliai sensta ir dreifuoja, dėl to vėdinimo sistemos optimizavimo sprendimai būna klaidingi.
Jutiklių dreifą sukelia teršalai, temperatūros ir drėgmės svyravimai, elektroninių komponentų nusidėvėjimas, tad būtina nuolat stebėti jutiklių darbą.
Tam skirtas automatizuotas kalibravimas, rodmenų nuokrypių stebėsena, duomenų filtravimas, lyginamoji jutiklių analitika. Be šių priemonių net ir moderniausi duomenimis grįsti modeliai gali priimti neteisingus sprendimus. Jutikliai šiandien yra tik tiek vertingi, kiek vertingas jų atsparumas laiko poveikiui.
Pagal tikrus jutiklių duomenis pastato būklę atkartojantys skaitmeniniai dvyniai leidžia modeliuoti
įvairius vėdinimo režimus, prognozuoti jų įtaką patalpų aplinkai, įvertinti pastato eksploatacijos pokyčius (užimtumo augimą ir t. t.), kurti ekstremalių situacijų strategiją.
Ilguoju laikotarpiu skaitmeninio dvynio teikiami modeliai virsta ekonomine nauda, nes ilgėja vėdinimo sistemos naudojimo laikas, mažiau energijos švaistoma, kai pastate nėra žmonių, oro kokybės ir energijos išlaidų balansas optimizuojamas nuosekliai.
Prof. A. Jurelionis akcentuoja, kad „Pastatų energinio naudingumo direktyvoje“ (EPBD) aiškiai įtvirtinta skaitmeninių dvynių samprata kaip pažangi pastatų eksploatacijos ir energijos efektyvumo valdymo priemonė.
Pastatų oro kokybės valdymas visada buvo kompromisas: geresnis oras – didesni energijos poreikiai. Tačiau dabar atsiranda modeliai, kurie sujungia abi kryptis įvertinę CO2, PM, drėgmės
jutiklių duomenis, komfortui reikalingą mikroklimatą, pastato užimtumo ritmiką, energijos vartojimo dinamiką.
Vėdinimas sinchronizuojamas su žmonių judėjimu pastate, įrangos apkrovomis, pastato šilumine inercija. Šį sinchronizavimą valdo dirbtinio intelekto sprendimai, besimokantys tinkamai vėdinimo sistemą valdyti skirtingu paros metu, skirtingomis savaitės dienomis.
Duomenų analizė taip pat leidžia identifikuoti vėdinimo sistemos degradaciją dar ankstyvojoje jos fazėje, organizuoti prognozuojamą priežiūrą, išvengti nenumatytų energijos nuostolių, išlaikyti oro kokybę ištisus metus.
Tačiau prof. A. Jurelionis pastebi: „Žmonės pastatuose jaučiasi geriau galėdami reguliuoti mikroklimato parametrus. Mes nenorime būti žuvytėmis akvariumuose.
Po sudėtingo susirinkimo norėsime atidaryti langą, sumažinti temperatūrą, kartais saulės spinduliuotė bereikalingai prišildo mūsų patalpas, retsykiais norime pakelti žaliuzes.
Tad vien automatizuodami sistemas prarandame dalį pasitenkinimo pastatais. Aš projektuotojams visada siūlau pagalvoti apie žmogų – kokias galimybes paliksime jiems.“
1 komentaras. Leave new
Pagaliau! Argumentuotas, ne reklaminis (giriantis kažkokio vieno gamintojo sprendimus kaip „vienintelį gerą” variantą) straipsnis. Ačiū autoriams už naudingą informaciją ir įžvalgas.