Данный материал создан учеными Национального исследовательского университета "МЭИ" (НИУ "МЭИ") кафедры Автоматизированных систем управления тепловыми процессами (АСУТП). Представленные сведения основаны на результатах научных исследований и отражают профессиональное мнение авторов.

Проблема обеспечения комфортных условий для человека в помещении является очень актуальной в настоящее время. Микроклимат помещения существенным образом влияет на самочувствие человека и его жизнедеятельность. Отсутствие системы вентиляции, обеспечивающей притоки свежего воздуха, или системы кондиционирования, обеспечивающей поддержание параметров воздуха (температура, влажность) на необходимом уровне способны привести к заболеваниям человека, общей слабости, депрессивному состоянию, недостаточной работоспособности, быстрой утомляемости, раздраженности и другим негативным последствиям. В зависимости от функционального назначения здания нормативными и регламентирующими документами устанавливаются разные требования к параметрам воздуха.
Здание санатория-профилактория «МЭИ» было построено в 1928 году согласно действующим на тот момент нормативным документам. Планировка здания предусматривает лишь естественную вентиляцию. Главным недостатком подобного типа вентиляции является тот факт, что воздух в здание подается непосредственно с улицы. Здание санатория-профилактория «МЭИ» находится вблизи Шоссе Энтузиастов, являющееся одной из самых загруженных магистралью Москвы. По этой причине воздух, напрямую попадающий в здание, содержит выхлопы токсичных газов, что негативным образом влияет на здоровье пациентов и персонала профилактория.
В данной статье рассмотрим тепловую схему установки, принцип её работы, схему АСУ, типы фильтров, рекуператоров и увлажнителей, принцип действия и какие параметры будут измерены для АСУ.

Описание тепловой схемы

Данная схема представляет из себя приточно-вытяжную вентиляционную установку с роторным рекуператором тепла. Воздух поступает в систему с улицы, проходит секцию фильтрации (три последовательных блока). Первый фильтр (грубой очистки), второй фильтр (тонкой очистки), третий фильтр (финишной/специальной очистки).
Роторный рекуператор тепла- большой блок с вращающимся элементом. Этот ключевой элемент предназначен для энергосбережения. Вращающийся ротор попеременно нагревается вытяжным тепловых воздухом из помещения и затем отдает это тепло холодному приточному воздуху с улицы.
Подогреватель первой ступени- нужен для подогрева и увлажнения воздуха после рекуператора. Далее воздух попадает в улиточный вентилятор, где создает необходимое давление для прокачки воздуха через все элементы приточного тракта.
Калорифер водяной подогреватель, обозначенный ромбом. Предназначен для догрева приточного воздуха до заданной температуры после подогревателя первой ступени, особенной в зимний период времени. Тепло в калорифер отпускается по замкнутому контуру, путем подогрева воды на ТЭЦ. Подогреватель второй ступени служит для регулирования температуры и влажности после калорифера
Шумоглушитель нужен для снижения аэродинамических шумов от работы вентилятора и движения воздуха, передаваемого в помещение. Затем воздух в соответствии с нужными параметрами поступает в помещение.
Забор воздуха из помещения осуществляется с помощью вентиляционного короба. Вытяжной фильтр – очищает воздух перед поступлением в рекуператор, защищая ротор от загрязнения со стороны помещения.
Вытяжной улиточный вентилятор – создает разрежение для удаления воздуха из помещения и прокачки его через рекуператор наружу. Воздух проходит через вторую половину ротора, отдавая (или забирая в зависимости от сезона) тепловую энергию.

Описание использованных датчиков

В данной схемы были использованы следующие датчики для определяя нужных параметров:
На входе в вентиляционном коробе и перед первым фильтром, установили следующие датчики: давления, температуры и расхода.
После первого, второго и третьего фильтра установили датчик давления.
Перед входом воздуха в рекуператор установили электромагнитный расходомер и датчик избыточного давления.
После рекуператора установили термопреобразователь сопротивления и датчик избыточного давления.
На выходе воздуха из подогревателя первой ступени установили датчик избыточного давления, датчик относительной влажности и термопреобразователь сопротивления.
Измерили давление после улиточного вентилятора. Термопреобразователем сопротивления измеряем температуру воды в калорифере в подающем и обратном трубопроводе. Датчиком избыточного давления зафиксировали параметры воды на входе и выходе из калорифера.
Термопреобразователем сопротивления, датчиком относительной влажности, измерили давление после подогревателя второй ступени.
Измерили давление, температуру воздуха и уровень шума перед шумоглушителем, а также после него.
В обратном вентиляционном коробе, который идёт из помещения, померили расход воздуха перед фильтром. После фильтра измерили давление и температура, чтобы убедиться в чисто воздуха после прохождения очистки.
После рекуператора и перед улиточным вентилятором измеряем давление и температуру.
Перед самым выходом отработавшего воздуха из помещения, измеряем расход и давление.

Типы фильтров, принципы их действия

Подробно рассмотрим типы фильтров, которые использовали в схеме теплотехнического контроля для санатория-профилактория. Были использованы три основных типа фильтров: тканевый, фотокаталитический и ультрафиолетовый, с акцентом на параметры для автоматизированных систем управления.

Тканевые фильтры
Принцип действия: Тканевые фильтры осуществляют очистку воздуха за счет механического улавливания частиц загрязнений. Частицы воздуха проходят через волокнистую структуру ткани, где задерживаются посредством различных механизмов:
Задержка по инерции: Крупные частицы, обладающие повышенной инерцией, отклоняются от прямолинейного движения и ударяются о волокна ткани.
Задержка по фильтрации: Узкие поры между волокнами ткани эффективно задерживают частицы, размер которых меньше размера пор.
Диффузионная задержка: Малые частицы, движущиеся за счет броуновского движения, сталкиваются с волокнами и оказываются задерживаемыми.

Типы тканевых фильтров:
1.Фильтры грубой очистки (G-class): Предназначены для улавливания крупных частиц (пыль, насекомые, шерсть) с размером частиц > 10 микрон.
2.Фильтры тонкой очистки (F-class): Предназначены для улавливания мелкодисперсных частиц (пыль, споры, пыльца) с размером частиц < 5 микрон.
3.Фильтры высокой эффективности (HEPA, H13, H14): обладают высокой способностью улавливать мельчайшие частицы, включая бактерии, вирусы и аэрозоли, с размером частиц до 0.3 микрон (HEPA) или даже меньше (H13, H14).

Параметры для АСУ:
Падение давления (Па): Критический параметр, свидетельствующий о степени загрязнения фильтра. Измеряется разница давлений до и после фильтра. Повышение давления указывает на необходимость замены фильтра.
Время работы (ч): Мониторинг времени работы фильтра позволяет прогнозировать необходимость его замены на основе данных о расходе воздуха и характеристиках загрязнения.
Тип фильтра: важно знать тип установленного фильтра для корректной интерпретации данных и выбора параметров замены.
Количество загрязнений (мкг/м³): (Опционально, но рекомендуется) Измерение концентрации определенных загрязняющих веществ внутри фильтра (например, пыльца, плесень) позволяет оптимизировать график обслуживания.

Фотокаталитические фильтры Принцип действия: Фотокаталитические фильтры сочетают в себе свойства физической фильтрации с каталитическим разложением загрязняющих веществ под воздействием ультрафиолетового излучения (УФ). Основной компонент - фотокаталитический материал (обычно диоксид титана, TiO2), который активируется УФ-излучением. В результате образуются активные радикалы (оксид и гидроксил), которые взаимодействуют с загрязняющими веществами, окисляя их до безвредных продуктов (вода, углекислый газ). Эффективность: Фотокаталитические фильтры эффективны для удаления летучих органических соединений (ЛОС), запахов, бактерий и вирусов.

Параметры для АСУ: Интенсивность УФ-излучения (мкВт/см²): Обеспечивает активацию фотокаталитического материала. Мониторинг позволяет контролировать эффективность УФ-лампы. Ток УФ-лампы (мА): Индикатор состояния УФ-лампы и необходимость замены. Входная и выходная концентрация загрязняющих веществ (мкг/м³): Определение изменений концентрации загрязняющих веществ позволяет оценить эффективность очистки. Необходимо проводить калибровку и использование газоанализаторов. Время работы УФ-лампы (ч): позволяет прогнозировать необходимость замены УФ-лампы по снижению интенсивности излучения. Температура поверхности фильтра (°C): Повышение температуры может указывать на перегрев и необходимость обслуживания. Продуктивность разложения (ммоль/ч): (Опционально) Измерение количества продуктов разложения загрязняющих веществ позволяет оценить эффективность фотокаталитического процесса.

Ультрафиолетовые (УФ) фильтры
Принцип действия: УФ-фильтры используют УФ-излучение определенной длины волны (обычно УФ-C диапазон, 254 нм) для ионизации и разрушения биологических загрязнений (бактерий, вирусов, грибков) и для окисления некоторых химических загрязнителей. УФ-излучение повреждает ДНК микроорганизмов, делая их неспособными к размножению.
Эффективность: Эффективны для обеззараживания воздуха и снижения концентрации некоторых органических загрязнителей.

Параметры для АСУ:
Интенсивность УФ-излучения (мкВт/см²): Критический параметр, определяющий эффективность УФ-обеззараживания. Мониторинг позволяет контролировать работоспособность УФ-лампы.
Ток УФ-лампы (мА): Индикатор состояния УФ-лампы и необходимость замены.
Срок службы УФ-лампы (ч): позволяет прогнозировать необходимость замены УФ-лампы по снижению интенсивности излучения.
Температура поверхности фильтра (°C): Контроль температуры для предотвращения перегрева.
Концентрация микроорганизмов на входе и выходе из зоны УФ-облучения (кол-во КОЕ/м³): Определение изменений концентрации микроорганизмов позволяет оценить эффективность УФ-обеззараживания. Необходим регулярный контроль и калибровка.
Длительность экспозиции (с): Оптимальное время воздействия УФ-излучения для достижения определенной степени обеззараживания. Требует точной настройки и контроля.
Рекомендации по АСУ:
Интеграция данных: Все параметры, собираемые с фильтров, должны интегрироваться в единую систему управления вентиляцией (УВЦ).
Автоматическое оповещение: АСУ должна обеспечивать автоматическое оповещение о необходимости замены фильтров, неисправности УФ-ламп и отклонении параметров от заданных значений.
Дистанционный мониторинг: предусмотреть возможность дистанционного мониторинга состояния фильтров и УВЦ.
История данных: Ведение истории данных о параметрах фильтров позволяет анализировать эффективность работы системы вентиляции и оптимизировать график обслуживания.
Калибровка: Регулярная калибровка датчиков и газоанализаторов является необходимым условием для обеспечения точности данных.

Типы увлажнителей, принцип их действия

Поддержание оптимального уровня влажности воздуха (40-60%) является важным аспектом микроклимата в санаториях-профилакториях, способствующим улучшению самочувствия пациентов, снижению риска развития респираторных заболеваний и поддержанию здоровья кожи.

Паровые увлажнители
Принцип действия: Паровые увлажнители нагревают воду до кипения, образуя пар. Этот пар подается в воздушный поток, где происходит его испарение, повышая относительную влажность воздуха. Конструируются с использованием нагревательных элементов (ТЭН, нагревательные спирали).
Интеграция в АСУ:
Параметры для мониторинга: Температура воды в баке (для контроля эффективности нагрева), давление пара (для подтверждения работы системы), производительность пара (объем подаваемого пара в единицу времени), потребление электроэнергии нагревательного элемента.
Автоматизация:
Регулировка мощности нагревательного элемента на основе заданного уровня влажности и температуры воздуха в помещении, автоматическое отключение при низком уровне воды в баке, оповещение о неисправности нагревательного элемента.

Сотовые увлажнители
Принцип действия: Сотовые увлажнители используют принцип испарения воды с поверхности сотовых элементов. Воздух проходит через влажную поверхность, обеспечивая его увлажнение. Для повышения эффективности испарения применяются различные конструкции сотовых элементов и системы вентиляции.
Интеграция в АСУ:
Параметры для мониторинга: уровень воды в резервуаре (для предотвращения пересыхания), температура сотовых элементов (для предотвращения перегрева и образования конденсата), производительность увлажнения (объем подаваемого влажного воздуха в единицу времени), расход воздуха через увлажнителя (для контроля эффективности работы вентиляционной системы).
Автоматизация:
Регулировка скорости воздушного потока через увлажнителя для достижения заданного уровня влажности, автоматическое отключение при низком уровне воды в резервуаре, контроль температуры сотовых элементов и отключение при превышении допустимых значений.

Описание модернизированных средств измерений

Для поддержания наибольшей эффективности устанавливаем следующие датчики:
Фильтр тканевый:
Датчик запыленности (пылевой датчик): измеряет количество твердых частиц, присутствующих в воздушном потоке. Он помогает определять оборудованию, когда нужно заменять фильтр.
Температурный датчик: империрует температуру воздуха, проходящего через систему вентиляции. Это помогает поддерживать оптимальный режим работы системы.
Влажностный датчик: измеряет относительную влажность воздуха.

Фильтр фотокаталитический
Датчик УФ-излучения: замеряет интенсивность ультрафиолетового излучения, ускоряющего процесс фотокаталитицеского окисления загрязняющих веществ.
Газовый датчик: Отклик на концентрацию определенных загрязняющих веществ, таких как летучие органические соединения (ВОС), чем больше загрязнений, тем более частое и интенсивное УФ-излучение требуется.
Температурный датчик: измеряет температуру воздуха для контроля оптимальных условий работы фильтра.

Фильтр ультрафиолетовый:
Датчик УФ-излучения: замеряет интенсивность ультрафиолетового излучения, уничтожать микроорганизмы.Датчик микроорганизмов: отклик на концентрацию микроорганизмов, таких как бактерии, грибки и вирусы. Эта информация используется для регулировки интенсивности УФ-излучения.Температурный датчик: измеряет температуру воздуха для контроля оптимальных условий для работы фильтра.

Сотовый увлажнитель:
Датчик уровня воды: измеряет уровень воды, для предотвращения засыхания
Датчик температуры: измеряет температуру воздуха, предотвращая перегрев.
Датчик влажности: измеряет относительную влажность воздуха
Датчик расхода воздуха: измеряет расход воздуха проходящий через увлажнитель, для определения наиболее эффективной работы вентиляционной системы.

Авторы материала: Чернышев А.А., Гужов С.В.