Вестник УКЦ АПИК: Управление воздухообменном в лабораторных помещениях

Рис. 1. «Мультиплексное измерение»
Лаборатории и виварии обычно потребляют значительное количество энергии и опосредованно являются причиной интенсивных выбросов углекислого газа [1]. В современных лабораториях, оснащенных вытяжными колпаками, энергоэффективным оборудованием, в том числе и осветительным [2, 3], большая часть энергии тратится на кондиционирование, подачу и отвод приточного воздуха. Уменьшение кратности воздухообмена без ущерба для безопасности могло бы обеспечить серьезную экономию энергии и снизить количество углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу.

К сожалению, до сих пор данных о влиянии изменения параметров воздухообмена в лабораториях и вивариумах на окружающую среду и потребление энергии было недостаточно. В этой статье сделана попытка восполнить существующий пробел за счет результатов исследования, в котором было накоплено значительное количество информации о микроклимате в помещениях лабораторий и вивариев, использующих динамическое управление воздухообменом в зависимости от потребности.

На воздушный поток в лаборатории влияют большая тепловая нагрузка, интенсивное использование вытяжных колпаков, присутствие лабораторных животных, но основным фактором, определяющим его интенсивность, является минимально допустимая кратность воздухообмена. Для лабораторий она может достигать 12, а для вивариев — 20 (то есть воздух в помещении должен полностью обновляться как минимум 12 или 20 раз в час) [5].

Минимально допустимая кратность воздухообмена должна обеспечивать быстрое очищение лабораторного помещения от летучих веществ и испарений. Однако создающая воздушный поток система вентиляции не должна подменять собой вытяжки и прочие устройства очистки воздуха. Их использование обязательно при работе с опасными химикатами вне зависимости от уровня вентиляции.

Рис. 2. Распределение концентрации
летучих соединений по времени
Как правило, усиление воздушного потока заметно сказывается на эффективности очищения лаборатории от вредных выбросов, по крайней мере, при кратности воздухообмена менее 15. Так, в недавнем исследовании, представленном на зимней конференции ASHRAE в 2009 году, было зафиксировано уменьшение концентрации вредных веществ более чем в десять раз в результате увеличения кратности воздухообмена с 4 до 8 [6]. В другом исследовании, подготовленном Йельским университетом [5], где изучались выбросы в помещениях, кратность воздухообмена в которых менялась от 6 до 16, было установлено следующее: «Наибольшее относительное улучшение качества воздуха (и по уменьшению концентрации испарений, и по времени очищения) наблюдается при кратности воздухообмена между 6 и 8, при кратности выше 12 эффективность ослабевает». Эти наблюдения подтверждают, что уменьшение минимально допустимой кратности воздухообмена, скажем, с 8 до 4 (или даже до 6), конечно, даст некоторую экономию энергии, но при этом существенно снизит эффективность очищения воздуха в помещении от примесей, а значит, такой подход недопустим для большинства лабораторий.

Другой способ уменьшить энергопотребление — снижать минимально допустимую кратность воздухообмена лишь в нерабочее и ночное время. Это решение обычно обосновывают тем, что вероятность выброса испарений в тот момент, когда в лаборатории никто не работает, минимальна, а если он все-таки случится, то, так как в помещении никого нет, никто не пострадает. Однако в этих рассуждениях есть изъян. Во-первых, химикаты обычно хранятся прямо в лаборатории, реакции могут идти 24 часа в сутки, круглосуточно работает и часть оборудования — и все это может сопровождаться выделением вредных веществ. Во-вторых, соображение, что выброс в нерабочее время, когда лаборатория пуста, безопасен, также не совсем справедливо. Допустим, на случай, если кто-то из сотрудников зашел в пустую лабораторию, в ней предусмотрены датчики присутствия, которые подают команду на повышение интенсивности воздухообмена. Однако даже если кратность воздухообмена увеличивается до «рабочего» значения — 8, при типичной схеме лабораторной вентиляции на то, чтобы снизить содержание загрязнений в атмосфере помещения, потребуется не менее часа. Соответственно, в первый час работы вентиляции в «рабочем» режиме персонал лаборатории подвергается опасности.

Рис. 3. Зависимость, по которой осуществляется
управление кратностью воздухообмена
Наиболее адекватным решением представляется управление кратностью воздухообмена в зависимости от потребности [4]. В его основе лежит использование датчиков качества воздуха, реагирующих на присутствие летучих органических соединений, аммиака, агрессивных химических паров и взвесей. Когда их содержание ниже определенного уровня, кратность воздухообмена может быть снижена, так как нет необходимости разбавлять чистый воздух таким же чистым.

Например, в чистой лаборатории поддерживается кратность воздухообмена от 2 до 4 в течение рабочего дня и 2 — ночью (в вивариях — до 6). Когда загрязнения превысят пороговое значение, пропорционально их концентрации начинает увеличиваться кратность воздухообмена. Помимо очевидных преимуществ этот подход позволяет собрать информацию о том, где и когда выбросы происходят чаще всего, и на основании полученных данных отрегулировать оборудование и внести изменения в действия персонала во избежание загрязнений.

Уровни загрязнения, при которых коэффициент вентиляции следует увеличивать, устанавливаются, исходя из требований безопасности по каждой конкретной лаборатории. Обычно пороговое значение для летучих органических соединений — примерно 0,2 ppm (мг на м3 воздуха) по показаниям фотоионизационного детектора. Оно зафиксировано в требованиях стандарта LEED EQ 3.2 (Leadership in Energy and Environment Design — Environment Quality) для новостроек. Но для использования в лабораториях оно занижено, так как речь идет не о постоянном выделении летучих соединений с поверхности стройматериалов, а о редких кратковременных выбросах.

Рис. 4. Число кратковременных выбросов
летучих органических соединений
в одной лаборатории (в среднем) за неделю
За пороговое значение присутствия микроскопических частиц в воздухе, как правило, берут миллион частиц на кубический фут (35,3 миллиона на м3), схожие требования предъявляет и LEED EQ 3.2 — 1,6 миллиона частиц на кубический фут (56,5 миллиона на м3).

Для определения состояния воздуха в лабораториях и вивариях может использоваться инновационный подход, получивший название «мультиплексное измерение» (multiplexed sensing). Он заключается в том, что вместо установки множества датчиков в каждой комнате образцы воздуха по специальной сети поступают на единый набор сенсоров.

Каждые 40–50 секунд на центральный набор сенсоров, называемый также сенсорным модулем, по трубопроводу поступает воздух из очередного помещения. Если один набор сенсоров отслеживает изменения состояния воздуха в 15–20 помещениях, то полный цикл его работы составит 15 минут. Такой периодичности, согласно теоретическим выкладкам и эмпирическим данным [7], достаточно для определения необходимости увеличения или снижения кратности воздухообмена.

«Мультиплексное измерение» (рис. 1) может использоваться для измерения множества различных параметров воздуха, главным из которых для лабораторий является концентрация летучих органических соединений. Для ее определения используется фотоионизационный детектор, способный обнаружить присутствие в воздухе сотен химикатов, в том числе и неорганических веществ (например, аммиака, что особенно важно в вивариях). Для расширения спектра определяемых примесей фотоионизационные датчики могут быть дополнены металлоксидными сенсорами. Комбинация этих датчиков с лазерным счетчиком микроскопических частиц позволит отслеживать появление аллергенов, аэрозолей и дыма. Датчики влажности и детекторы диоксида углерода (углекислого газа) также могут быть использованы для управления вентиляцией лабораторий и вивариев.

Методология исследования и анализа полученных данных

Рис. 5. Распределение концентрации
летучих соединений по времени
в различных лабораторных комплексах
Данные системы мультиплексных измерений, используемые для управления вентиляцией, сохраняются на специальном веб-сайте для дальнейшего анализа. В описываемом исследовании такая система была применена не в одном, а в 18 лабораторных комплексах: шесть из них расположены на Восточном побережье США, семь — в центральных штатах, три — на Западном побережье и два — в Канаде. Большая часть лабораторий в этих комплексах — биологические, химических и физических — меньшинство. Три комплекса, включавших в себя помещения для животных, были выделены в отдельную подгруппу. Всего в исследовании участвовали более 300 лабораторных помещений.

Было проанализировано приблизительно 1,5 миллиона часов работы лабораторий и около 100000 часов — вивариев. Если бы в исследовании была задействована лишь одна лаборатория, для накопления такого объема данных потребовалось бы 180 лет, настоящее же исследование длилось с начала осени 2006 года до января 2009 года. Всего было собрано и изучено более 20 миллионов показаний сенсоров, включая данные о присутствии летучих органических соединений и частиц размером от 0,3 до 2,5 микрона, абсолютной влажности воздуха и концентрации углекислого газа. В этой статье основное внимание уделено летучим соединениям и микроскопическим частицам. Чтобы снизить влияние инструментальной погрешности датчиков, а также «вынести за скобки» качество приточного воздуха, в расчет бралась разница между содержанием примесей в помещении и приточном воздухе. Так как данные собирались при помощи системы «мультиплексных измерений», содержание частиц и летучих соединений в наружном воздухе и в помещении определялось одними и теми же датчиками, что позволило максимально точно вычислить разницу между этими параметрами.

Для «чистых» лабораторий кратность воздухообмена устанавливалась от 2 до 6, при появлении значительного количества микроскопических частиц или летучих соединений кратность увеличивалась до 12–16. В вивариях кратность равная 6–10 при загрязнении увеличивалась до 15–20.

Обзор данных, полученных в лабораториях

Рис. 6. Распределение концентрации
микроскопических частиц по времени
На рисунке 2 представлена диаграмма концентрации летучих органических соединений во всех лабораториях, построенная по результатам исследования. Диаграмма представляет собой кумулятивный график, то есть значение 0,84%, соответствующее 0,10 мг/м3, означает, что 0,84% от всего времени концентрация летучих соединений в лабораториях была равной или выше 0,1 мг/м3.

Выделенная синим зона на диаграмме на рис. 2 соответствует типичному диапазону значений, при которых управление кратностью воздухообмена осуществляется пропорциональным образом. То есть при концентрации летучих соединений менее 0,2 мг/м3 воздушный поток в помещении остается неизменным. При увеличении концентрации загрязнений кратность воздухообмена начинает корректироваться и при 1,5 мг/м3 достигает 15. Зависимость, по которой осуществляется управление, представлена на рис. 3.

Из диаграммы на рис. 2 следует, что воздух в лабораториях «чист» (то есть его кубометр содержит менее 0,2 мг летучих соединений) 99% от всего времени. В течение этого времени кратность воздухообмена может быть снижена до 2, что дает значительную экономию энергии.

Рис. 7. Распределение концентрации
микроскопических частиц по времени
в различных лабораторных комплексах
График на рис. 4 показывает среднее количество выбросов летучих органических соединений в одной лаборатории за неделю. Как правило, выбросы длятся до 90 минут, при этом продолжительность большинства — 15–30 минут. Для простоты примем, что в среднем утечка длится 15 минут. За неделю концентрация летучих соединений более 0,2 мг на кубометр держится около часа, что на графике соответствует четырем 15 минутным утечкам.

Эти данные позволяют сделать вывод, что в здании, где имеются 50 лабораторий и выбросы могут происходить каждый час в течение рабочего дня, вероятность их возникновения сохраняется и в нерабочее время. То есть существует необходимость поддерживать более интенсивный воздушный поток в течение этих утечек, при подходе же с фиксированной интенсивностью кратности воздухообмена может быть недостаточно для очистки помещений.

На рис. 5 показаны графики значений концентрации летучих органических соединений для каждого комплекса. Обратите внимание, что даже в комплексе с наибольшей интенсивностью выбросов летучих соединений предлагаемый подход позволяет экономить энергию в течение 98 % времени.

Рис. 8. Распределение концентрации
летучих соединений по времени в комплексах
с вивариями различных типов
Другой параметр, используемый для управления кратностью воздухообмена, — содержание в воздухе микроскопических частиц. На рисунке 6 изображено распределение содержания частиц размером от 0,3 до 2,5 микрона по времени (на графике отражена разница между концентрацией частиц в лабораторных помещениях и в приточном воздухе). Кратность воздухообмена увеличивается при превышении концентрации в 1 миллион частиц на кубический фут.

Как видно из рисунка 6, пороговое значение превышено в течение около 0,4% времени, или примерно 30 минут в неделю. Суммировав данные по микроскопическим частицам и летучим соединениям, получим, что повышенная кратность воздухообмена требуется в среднем лишь в течение 1% от всего времени работы.

Данные по концентрации частиц в различных комплексах объединены на рисунке 7. Эти данные повторяют картину для летучих соединений. Оба набора данных показывают, что индивидуальные значения могут отличаться от среднего максимум в три раза. То есть, даже в наихудшем случае, минимальная кратность воздухообмена может поддерживаться 96,5% времени. Для поддержания безопасного состояния воздуха кратность воздухообмена должна быть повышена в среднем шесть часов в неделю.

Обзор данных, полученных в вивариях

Рис. 9. Содержание летучих органических
соединений/аммиака в невентилируемых
клетках с грызунами
(График составлен по данным,
полученным в течение одной недели)
Для вивариев накоплен меньший объем данных. Исследования проводились в трех комплексах. Один из них включает в себя невентилируемые клетки с грызунами, другой вентилируемые клетки с грызунами и третий — вольеры с нечеловекообразными приматами.

На рисунке 8 собраны данные о содержании летучих органических соединений в каждом из трех комплексов. Как можно заметить, наибольшее количество этих соединений выбрасывается в комплексе с невентилируемыми клетками. Интересно, что наиболее «чистыми» в плане выбросов летучих органических соединений и аммиака оказались вольеры с приматами. Следует отметить, что фотоионизационные сенсоры летучих органических соединений, применяемые в системах «мультиплексных измерений», откалиброваны по изобутилену и реагируют на аммиак с коэффициентом отклика (тарировочным коэффициентом) от 10 до 20. То есть показание датчика, равное 1 мг/м3, означает, что реально в кубометре воздуха содержится 10–20 мг аммиака. Для вивариев обычно определяемый датчиком диапазон значений концентрации летучих веществ, при которых необходимо увеличение кратности воздухообмена с 6 до 15, составляет 0,4–1 мг/м3.
Даже для наиболее «тяжелого» случая — вивариев с невентилируемыми клетками для грызунов — повышенная кратность воздухообмена требуется лишь в течение 1,5% от общего времени. Данные о концентрации летучих соединений в отдельных помещениях с невентилируемыми клетками для грызунов собраны на рисунке 9. Синяя кривая соответствует приточному воздуху, красная, зеленая и черная кривые — воздуху в помещениях.

Рис. 10. Распределение концентрации
микроскопических частиц по времени
в комплексах с вивариями различных типов
На рисунке 10 показан график, иллюстрирующий концентрацию в вивариях микроскопических частиц. Этот показатель невелик. Даже для вольеров с нечеловекообразными приматами, где он наиболее высок, повышенная кратность воздухообмена требуется в течение лишь 1,2% от общего времени.

На рисунке 11 представлены собранные в вольерах для приматов данные, которые объясняют причину повышенного содержания там микроскопических частиц. Распределение пиков концентрации частиц по времени и совпадение их с пиками повышенной влажности указывает на то, что увеличение концентрации микроскопических частиц происходит во время уборки вольера. Автоматическое повышение кратности воздухообмена позволяет быстро очищать помещение от частиц, способных вызвать аллергию или раздражение у животных.

Выводы и заключения

Объемное и всестороннее исследование влияния управления кратностью воздухообмена на энергопотребление и качество воздуха в вивариях и лабораториях было закончено в январе 2009 года. В результате было установлено, что в лабораториях пониженная кратность воздухообмена может без ущерба для качества воздуха поддерживаться в течение 99% времени.

Рис. 11. Влияние уборки в вольерах
с нечеловекообразными приматами на концентрацию
микроскопических частиц и влажность.
Данные за 8 сентября 2008 года
В среднем повышение кратности воздухообмена требуется в лаборатории лишь 1,5 часа в неделю. В наиболее сложных случаях это время может быть увеличено в три раза.

В трех исследованных типах вивариев пониженная кратность воздухообмена может поддерживаться в течение 98,5% времени. Повышенная кратность воздухообмена требуется лишь в течение 2,5 часа в неделю.

Сегодня многие организации вынуждены искать способы снизить выбросы углекислого газа и потребление энергии. Проведенное исследование показывает, что подход к управлению кратностью воздухообмена в лабораториях и вивариях на основании потребности может стать эффективным инструментом для достижения этих целей.

Список литературы:

  1. EIA. 1999. «Commercial Buildings Energy Consumption Survey» U. S. Energy Information Admin-istration, www.eia.doe.gov/emeu/cbecs/contents.html.
  2. Mathew, P., cl al 2005. «Right-sizing laboratory HVAC systems, part 1». HPAC Engineering (9).
  3. Mathew; P., et al. 2005. «Right-sizing laboratory HVAC systems, part 2». HPAC Engineering (10).
  4. Sharp, G. P. 2008. «Dynamic variation of laboratory air change rates: a new approach to saving energy and enhancing safety». ALN Magazine (11/12).
  5. Klein, R. C., C. King, A. Kosior. 2009». Laboratory air quality and room ventilation rates». Journal of Chemical Health & Safety (9/10).
  6. Schuyler, G. 2009. «The effect of air change rate on recovery from a spill». Presented in Seminar 26 at the ASHRAE Winter Conference.
  7. Abbamonto, C., G. Bell. 2009. «Does Centralized Demand-Controlled Ventilation (CDCV) Allow Ventilation Rate Reductions and Save Energy Without Compromising Safety?» Presented in Session E2 at the 2009 Labs21 Conference.

Автор: Гордон П. Шарп, член ASHRAE, основатель и президент компании Aircuity (г. Ньютон, Массачусетс, США)



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест