,,Wentylacja w laboratorium”
Dipl.-Ing. Tadeusz Śnitko
Poland Business Center- Berlin-Niemcy
W numerze 3/05 poruszyliśmy problematykę bezpieczeństwa pracownika laboratorium i wynikających z tego prawidłowych rozwiązań technicznych w zakresie wentylacji wyciągów chemicznych. W zakończeniu tego artykułu przedstawiliśmy krótki zarys tematyki wentylacji laboratorium. Dziś postaramy się rozszerzyć to bardzo interesujące zagadnienie.
Regulacja wentylacji w laboratoriach
Przypomnijmy, że dla sprecyzowania definicji określenia ,,dobra wentylacja” posłużyliśmy się przykładem Normy DIN 1946 cz.7, wg. Której z 1m2 powierzchni laboratorium o wys.3m należy doprowadzić 25m3 powietrza w ciągu godziny. Ilości ta dotyczy normalnego czasu pracy. W trybie nocnym można dokonać redukcji nawet o połowę.
Definicja:
25m3/(h*m2)
Oznacza 8 wymian powietrza na godzinę w trybie dziennym i 4 wymiany w trybie nocnym. Oprócz ilości wymian powietrza nie można zapomnieć zarówno o zbilansowaniu jego zapotrzebowania i utrzymania stałych reżimów różnicy ciśnień (podciśnienie dla pomieszczeń laboratoryjnych i nadciśnienie dla pomieszczeń czystych ) jak również elementach komfortu pracy takich jak temperatura, wilgotność i szybkość przepływu.
Bardzo ważnym zagadnienie jest utrzymanie w pomieszczeniach laboratoryjnych stałej wartości ciśnienia w stosunku do pomieszczeń sąsiednich np. korytarza lub wręcz wprost do ciśnienia atmosferycznego. Wartość różnicy powinna zawierać się w granicach od 10 do 20 Pa. Zbyt mała różnica ciśnień np. pomiędzy laboratorium i korytarzem może doprowadzić do wydostania się doprowadza do przeciągów lub wręcz niemożliwość ich otwarcia.
Mechaniczne Przepustnice Ręczne
W najprostszych rozwiązaniach stosowano do tego celu zwykłe ręczne przepustnice mechaniczne (PR) zarówno do niewielu jak i wielu (rys. 1). Poprzez ustawienia stałych, zróżnicowanych do wielkości przepływów dla na- i wielu uzyskiwano odpowiednio dodatnią lub ujemną różnicę ciśnień.
Należy zadać sobie pytanie, czy przy takim rozwiązaniu możliwe jest utrzymanie precyzyjnej różnicy ciśnień, od której zależy przede wszystkim utrzymanie bezpiecznych warunków pracy? Jeżeli weźmiemy pod uwagę wszystkie zakłócenia mogące mieć pływ na stabilność tego systemu, choćby otwarcie drzwi czy okna, odpowiedź jest prosta-NIE.
Rozwiązania takie można stosować w pomieszczeniach bez jakichkolwiek zagrożenia infekcyjnego, gdzie zadaniem tego typu regulatorów jest jedynie zdławienie przepływu powietrza przez pomieszczenie do zadanego poziomu.
Regulatory stałej wartości przepływu- CAV
Następnym etapem jest stosowanie tzw. Mechanicznych Regulatorów Wartości Stałej (CAV Constant Air Volume). Regulatory tego typu nie wymagają zasilenia elektrycznego. Samoregulacji na zadana wartość stałą dokonuje się za pomocą układu sprężyn. Dokładność tego typu regulacji obarczona jest dużym błędem (15%), co w przypadku zadania regulacji małych różnic ciśnień doprowadzić może do łatwego przekroczenia wartości dopuszczalnych. Z tego też powodu tego typu regulatory znajdują zastosowanie przede wszystkim w elementach wyposażenia wymagających stałej wentylacji, takich jak szafy i szafki na chemikalia oraz odprowadzania powietrza znad podłogi. W celu prawidłowego zbilansowania zapotrzebowania na powietrze przyjmuje się w tym przypadku stałą wartość ofsetową.
Szybkie zmiany wielkości przepływu-regulatory VAV
Szybkie zmiany ilości przepływającego powietrza pochodzące od urządzeń takich jak dygestoria i inne wyciągi chemiczne wymagają równie szybkiego rozpoznania i wyregulowania ilości powietrza nawiewnego i wywiewnego . Do tego typu zadań dedykowane są Elektroniczne Regulatory Przepływu Zamiennego (VAV-Variable Air Volume) Przy wyborze regulatorów niewielu należy bezwzględnie zwrócić uwagę na ich czas odpowiedzi na zakłócenie przepływu i jego wyregulowanie, nie przekraczający 8-miu sekund (90 stopni obrotu klapy przepustnicy).
Przy projektowaniu generalnej wentylacji danego obiektu pierwszoplanową i nadrzędną zasadą jest zachowanie ochrony i bezpieczeństwa pracy służby pracowniczych.
Oszczędność energii
Zależna od rzeczywistych potrzeb regulacja przepływu powietrza przez układy nawiewno-wywiewne ma niebagatelny wpływ na oszczędność zużycia energii przy jednoczesnym zachowaniu pełnego bezpieczeństwa pracy.
Nowoczesne systemy regulacyjne pozwalają na spełnienie normatywnych wymogów niezbędnej krotności wymian powietrza. Krotności te definiowane są zarówno w Normach Europejskich EN jak i amerykańskich ASHARE.
Przy umiejętnym wykorzystaniu tzw. Faktora Jednoczesności istnieje możliwość zmniejszenia zwymiarowania całej instalacji wentylacyjnej bez naruszenia jej wydajności. Dzięki projektowaniu instalacji pod kontem rzeczywistych potrzeb wentylacyjnych uzyskuje się znaczące oszczędności .
Przy projektowaniu pod kątem oszczędności energetycznych nie należy zapominać jednakże o faktorach komfortu klimatycznego, a tym samym komfortu pracy personelu.
Przy projektowaniu pomieszczeń laboratoryjnych należy zwrócić uwagę na następujące elementy:
*Temperatura
*Wilgotność
*Sposób przepływu powietrza przez pomieszczenie
*Zbilansowanie ilości powietrza dla pomieszczenia pod kątem niewielu i utrzymania bezpiecznej różnicy ciśnień
*Krotności wymian powietrza zgodnych z obowiązującymi Normami
Przykłady wentylacji laboratoriów
Podane poniżej przykłady, przedstawiają różne koncepcje wentylacji pomieszczeń laboratoryjnych. Niezależnie od przeznaczenia laboratorium najpierwszym planie stoi zawsze optymalna strategia regulacji.
Stosowanie dowolnej ilości wyciągów o stałej wentylacji (CAV) uwzględnia się w bilansie powietrza w prosty sposób poprzez dodanie wartości stałej.
Wentylacja laboratorium bez żadnych urządzeń wyciągowych
Zasada działania
Regulator wywiewu VRA z rys.2 reguluje ilość powietrza wywiewnego i wyrównuje samodzielnie wahania ciśnienia w kanale wentylacyjnym. Wymagana ilość wymian powietrza zostaje wprowadzona w postaci parametru wielkości zadanej.
Nawiew do pomieszczenia regulowany jest nadążenie drugim układem emulacyjnym, znajdującym sie również systemie VRA. Regulator typu Slave (VRS) zawiera tylko układu czujnika i elementy wykonawczego stanowiąc tym samym oszczędne rozwiązanie regulacyjne.
Pomiar ciśnienia dokonywany jest poprzez niewrażliwy na zanieczyszczenie, statyczny różnicowy czujnik ciśnienia. Napęd klapy przepustnicy stanowi szybki silnik krokowy sterowany sygnałem 0..10V DC.
Regulator Narzędny- Master (VRA) steruje Regulatorem Podrzędnym-Slave (VRS) uwzględniając wymagane podciśnienie w pomieszczeniu.
Wejście analogowe umożliwia płynną regulację ilości powietrza. Dzięki temu możliwa jest bardzo prosta realizacja obniżonego przepływu np. w trybie nocnym.
Wentylacja laboratorium z uwzględnieniem różnicy ciśnień temperatury
Zasada działania
Rozszerzając poprzedni przykład o czujniki temperatury i różnicy ciśnień uzyskujemy dodatkowe możliwości regulacji-rys 3.
Regulator wywiewu dokonując pomiaru temperatury w pomieszczeniu zmienia w zadanych granicach nastawy przepustnicy i reguluje ja ilością przepływającego powietrza.
Regulator nawiewu, uwzględniając pomiar różnicy ciśnień steruje nastawy i przepustnicy nawiewu w taki sposób, by niezależnie od aktualnego wywiewu utrzymać pomieszczeniu np. podciśnienie w granicach -10 Pa.
Jeśli wzrośnie temperatura w laboratorium, regulator wywiewu otworzy bardziej klapę przepustnicy by zwiększonym przepływem schłodzić pomieszczenie. Regulator nawiewu stwierdzi wzrost podciśnienia i otworzy bardziej klapę przepustnicy nawiewu dążąc do utrzymania stałego podciśnienia.
Jeśli nastąpi otwarcie drzwi ,powoduje to załamanie ustalonego podciśnienia w laboratorium. Regulator nawiewu powoduje przymknięcie klapy przepustnicy gdyż głównym nawiew odbywa się teraz z korytarza i dzięki temu możliwe jest w dalszym ciągu utrzymanie założonego podciśnienia w pomieszczeniu.
Jeśli zrezygnujemy z instalacji czujnika podciśnienia możemy nadal realizować utrzymywanie podcienieni w pomieszczeniu łącząc regulatory nawiewu i wywiewu-jak pokazano to na schemacie przerywana linią. Uzyskamy w ten sposób znany już nam układ typu Master-Slave, w którym regulator nawiewu nadąża za regulatorem wywiewu. Wytworzenie podciśnienia uzyskuje się w ten sposób ,że regulator nawiewu dostarcza do pomieszczenia tylko np. 90% powietrza wywiewanego.
Wentylacja laboratorium z uwzględnieniem dygestorium o zmiennym przepływie stalej wentylacji przypodłogowej
Zasada działania
W tym wariancie wentylacja laboratorium odbywa się poprzez regulowany przepływ przez dygestorium (VAV) ii stała wentylacje przypodłogowa (CAV). Nawiew do pomieszczenia regulowany jest system VRS pracującym w trybie SLAVE. Regulacja zmiennego wywiewu wraz z dodaniem stałej wartości regulatora przypodłogowego CAV i zmiennego nawiewu dokonywana jest w całości w systemie regulacji VAV dygestorium.
Liniowy regulator VAV dygestorium, (LCR-300-V), dokonuje liniowo regulacji ilości przepływającego powietrza w zależności o poziomu otwarcia jego okna. Przy zamknięciu okna dygestorium (ok. 5cm) zostaje w dalszym ciągu zachowania jego zdolność wentylacja przy znacznie zredukowanym przepływie powietrza. Takie podejście prowadzi do istotnych oszczędności eksploatacyjnych laboratorium.
Nieodzowną częścią regulatora LCR-300-V jest podsystem kontroli wentylacji dygestorium, wymagany w międzyczasie również polska Normą PN EN 14175-2:2004 (U).
Duża szybkość regulatora LCR-300-V (< 3 sek.) wymaga również dużej szybkości regulatora nawiewu (< 8 sek.). Dzięki różnym czasem regulacji obu regulatorów uzyskuje się daleko idącą eliminacje tendencji do wibracji regulowanych klap przepustnic powietrza. Jednocześnie zapewnione jest utrzymanie zdefiniowanego dla danego pomieszczenia podciśnienia. Właściwość ta jest zachowana zarówno dla sytuacji zwiększonego przepływu, spowodowanego otwarciem okna dygestorium jak również zmniejszenia przepływu wynikającego z zamknięcia okna lub z przejścia w tryb zredukowany np. tryb pracy nocnej.
Powyższy przykład ma zastosowanie wszędzie tam gdzie wymagana krotność wymian powietrza realizowana jest poprzez zainstalowanie w laboratorium urządzenia n(np. małe laboratoria z kilkoma dygestorium).
W każdym przypadku spełnienie i warunku minimalnej krotności wymian powietrza powinno być narzucone przez dopasowany tryb pracy urządzeń , co rezultuje optymalnym podejściem do zgromadzeń oszczędności energii.
Również w tym układzie mamy di czynienia ze znanym już nam typem Master-Slave, w którym regulator nawiewu nadąża za regulatorem wywiewu. Wytworzenie podciśnienia uzyskuje się w ten sposób, że regulator nawiewu dostarcza do pomieszczenia tylko no. 90 % powietrza wywiewnego. Zastosowanie regulatora typu Slave potania cały układ regulacyjny.
Kompletna wentylacja z uwzględnieniem wielu dygestoriów o zmiennym przepływie, włączalnym wyciągiem stołowym, stałej wentylacji przypodłogowej i dodatkowym wywiewem z pomieszczenia, z uwzględnieniem temperatury i regulacji podciśnienia.
Zasada działania
W wariancie z rys. 5. Wentylacja laboratorium odbywa się częściowo poprzez regulowany przepływ przez 3 dygestoria (LCR-300-V), włączalny wyciąg nad stołowy i stały przypodłogowy. W celu utrzymania stałej krotności wymian (np. 25m3/h x m2) zastosowano dodatkowy, regulowany wywiew z pomieszczenia. Do kompletacji bilansu powietrza nie można oczywiście zapomnieć o nawiewie, który także wyposażono w regulator.
Funkcję bilansowania zapotrzebowania na powietrze przyjmuje w tym przypadku kontroler grupowy GZA-300 który na podstawie pomiaru temperatury pomieszczenia, różnicy ciśnień i aktualnego wywiewu przez poszczególne urządzenia wylicza różnice do wymaganej krotności wymian w pomieszczeniu i steruje odpowiednio regulatorem dodatkowego wywiewu.
Liniowe regulatory VAV dygestoriów, ()LCR-300-V,dokonują liniowo regulacji ilości przepływającego powietrza w zależności o poziomu otwarcia ich okien. Przy zamknięciu okna dygestorium (ok. 5 cm) zostaje w dalszym ciągu zachowana jego zdolność wentylacyjna przy znacznie zredukowanym przepływie powietrza. Takie podejście prowadzi do istotnych oszczędności eksploatacyjnych laboratorium.
Nieodzowna częścią każdego regulatora LCR-300-V jest podsystem kontroli wentylacji dygestorium, wymagany w miedzy czasie również polską Normą PN EN 14175-2:2004 (U)
Kompletna wentylacja laboratorium podłączona dwie sieci LON (zarządzania budynkiem) z uwzględnieniem wielu dygestoriów o zmiennym przepływie, włączalnym wyciągiem stołowym , stałej wentylacji przypodłogowej i dodatkowym wywiewem z pomieszczenia. Z uwzględnieniem temperatury regulacji podciśnienia włącznie ze sterowaniem klap PPOŻ i panelem kontrolno-sterującym umożliwiającym przełączanie trybów Dzień/Noc.
Zasada działania
Przykład z rys. 6.pokazuje kompletną wentylację laboratorium z podłączeniem do sieci inteligentnego budynku LON. Rozwiązanie to, o maksymalnym stopniu rozbudowy, przeznaczone jest dla średnich i dużych obiektów laboratoryjnych. Również tu korzysta się z dodatkowego wywiewu z laboratorium, przy założeniu, że nie cała wymagana wymiana powietrza możliwa jest do przeprowadzenia przez zainstalowanie urządzenia.
Zarówno regulacja i kontrola wentylacji dygestoriów jak również regulacja na- i wywiewu, przeprowadzana jest niezmiennie przez regulatory LCR-300-V, VRA i VRS, których funkcje opisano już wcześniej.
Zalety sieci LON
Wszystkie wartości przepływów przez dygestoria inne wyciągi chemiczne wraz ich statusem pracy (normalny/alarm) stoją do dyspozycji w postaci standardowych wielkości zmiennych (SVNT) i mogą być dostarczone do de centralnego systemu zarządzania. Równocześnie istnieje możliwość centralnego przełączania trybu pracy dygestoriów i innych urządzeń wywiewnych podłączonych do sieci LON w tryb zredukowany (np. nocny).
Dzięki zastosowaniu sieci LON możliwe jest podłączenie całego kompleksu laboratoriów do Centralnego Systemu Zarządzania Budynkiem (BMS - Building Management system),, otwierając tym samym szerokie możliwości kontroli i diagnozy wentylacji również poprzez Internet.
Podsumowanie
Powyższy artykuł miał na celu przedstawienie tematyki wentylacji laboratorium przy uwzględnieniu różnych czynników mogących mieć wpływ na bezpieczeństwo i komfort pracy. Przy okazji podano przykład prawidłowych rozwiązań i wskazano właściwy sposób spojrzenia na całość zagadnienia.