سیستم های کنترل تهویه با با استفاده از دی اکسید کربن

سیستم های تهویه با قابلیت کنترل برحسب نیاز (DCV) که بر پایه ی دی اکسید کربن طراحی شده اند، به شکل فزاینده ای جهت تنظیم تهویه ی هوا براساس حضور افراد به شکل بدون وقفه یا Real-Time به کار گرفته می شوند. استفاده از این سیستم، این قابلیت را داراست که مانند کنترل های ترموستاتیک که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، عمومیت یابد.

این مقاله، وضعیت کنونی سیستم های کنترل تهویه براساس دی اکسید کربن را، به انضمام مباحثی کوتاه در مورد فناوری استفاده شده در این سیستم، انکاپذیری آن و بهترین روش به کار گیری آن، نشان می دهد. همانند هر روش کنترلی دیگر، موفقیت یک DCV که بر پایه ی دی اکسید کربن کار می کند، بستگی به چگونگی طراحی و نصب آن خواهد داشت.

سیستم های CO₂ DCV که به شکل مناسبی نصب شده باشند، می توانند تهویه ی بیش از حد و غیر لازم را (که اگر میزان هوای استنشاق شونده برای حداکثر تعداد ساکنین ممکن در فضا تنظیم شده باشد کاملا امکان پذیر است) به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

 این روش که به شکل اصلاح تاسیسات موجود و یا نصب تاسیسات جدید قابل اعمال است، می تواند صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی ایجاد نموده و در عین حال، خواست های 62 ASHRAE Standard را نیز برآورده نماید.

حسگر CO2 از نوع ردیابی مادون قرمز بدون پراکنش

دی اکسید کربن و تهويه

مبنای استفاده از دی اکسید کربن جهت کنترل تهویه، ریشه در قواعد فیزیولوژیک انسان دارد تمام انسان ها با میزان فعالیت معین، مقداری قابل پیش بینی از دی اکسید کربن راه براساس سن ساکنین فضای مورد نظر و سطح فعالیت های آنان، به صورت باز دم در محیط پراکنده می سازند. این ارتباط، در ضمیمه ی D از 1999-62ANSI/ASHRAE Standard توصیف گردیده است.

در نتیجه دی اکسید کربن می تواند به عنوان یک نشانگر مناسب برای غلظت مواد منتشر شده توسط انسان در محیط و یا تعداد حاضرین در محل، در نظر گرفته شود (یعنی با دو برابر شدن تعداد نفرات در فضایی خاص، تولید دی اکسید کربن نیز دو برابر خواهد شد).

 دی اکسید کربن یکی از فراوان ترین گازهایی است که در جو یافت می شود. به عنوان نقطه ی مرجع، غلظت این گاز در وسط اقیانوس آرام بالای Maura Laa Hawaii مقدار ppm 366 اندازه گیری شده و فرض بر این است که محکی برای کمترین غلظت یافت شده برای این گاز در سراسر دنیا باشد.

در اماکن شهری، غلظت این گاز بین ۳۷۵ تا ۴۵۰ قسمت در میلیون اندازه گیری شده است. از آنجایی که دی اکسید کربن مانند تمام گازهای دیگر در هوای اطراف منتشر می گردد، تغییرات غلظت در یک منطقه ی معین، به طور عام کمتر از ۵۰ قسمت در میلیون و به شکل فعلی خواهد بود.

این گاز همچنین یکی از فراوان ترین محصولات جانبی حاصل از احتراق (۹ تا ۱۳ درصد حجمی) بوده و در نتیجه، اندازه گیری های انجام شده در فضاهای خارجی، می تواند به واسطه ی منابع سوختی مانند دودکش کارخانجات یا وسایل نقلیه در حال حرکت، تغییرات قابل توجهی نماید.

اگر اندازه گیری مقدار دی اکسید کربن در فضای خارجی مقداری بیش از ۵۰۰ قسمت در میلیون را نشان دهد، احتمالا نشان دهنده ی این است که منابع سوختی عمده ای در نزدیک محل اندازه گیری وجود دارند. اندازه گیری مقدار دی اکسید کربن در فضای داخل ساختمان، یک مقیاس دینامیک برای تعادل بین تولید دی اکسید کربن در فضای مورد نظر که تعداد افراد حاضر در محل را نشان می دهد  و مقدار هوای بیرونی با مقدار دی اکسید کربن کمتر که بایستی از طريق تهویه به داخل ساختمان منتقل شود به دست می دهد.

تاثیر این امر، چنین است که استفاده از غلظت دی اکسید کربن جهت اندازه گیری و کنترل میزان رقیق سازی با هوای تازه در یک فضای مشخص بر مبنای تعداد نفرات مقدور می گردد. 

هر میزان تهویه ی ایجاد شده بر مبنای هر فرد، یک نقطه ی تعادل هم ارز دارد که می تواند به عنوان مبنایی برای راهکارهای کنترل تهویه با استفاده از DCVهایی که بر اساس C0₂ کار می کنند، به کار گرفته شود. این امر بدین معنی نیست که راهکارهای کنترلی، قبل از این که تهویه ی مورد نظر صورت گیرد، منتظر رسیدن به نقطه ی تعادل می مانند.

نقطه ی تعادل، تنها یکی از ورودی های در نظر گرفته شده در طراحی راهکار DCV به شمار می آید. دی اکسید کربن، در غلظت های بین ۴۰۰ تا ۲۰۰۰ قسمت در میلیون که معمولا در ساختمان ها یافت می شود، ماده ای خطرناک با یک آلاینده به شمار نمی آید.

حسگر CO2 از نوع نوری صوتی

ارتباط دی اکسید کربن با انسان ها

احساس ناخوشایندی که از کیفیت نامناسب هوا در افراد به وجود می آید و اغلب آن را با مقدار بالای دی اکسید کربن ارتباط می دهند، در واقع به خاطر تشکیل آلاینده های دیگری است که در نتیجه ی کاهش میزان تهویه ی مورد نیاز به ازای هر فرد به وجود آمده است و ربطی به اثر دی اکسید کربن ندارد.

در کاربردهای مربوط به گرمایش، تهویه و تهویه ی مطبوع، دی اکسید کربن به بهترین نحو به عنوان یک نشانگر مناسب جهت تعیین میزان تهویه ی هوای خارجی به ازای هر شخص به کار گرفته می شود. نکته ی مهم دیگری که بایستی روشن شود، ارتباط بین تولید دی اکسید کربن و بوی بدن افراد است.

مقدار دی اکسید کربن می تواند بسته به فعالیت های متابولیک انسان، افزایش یا کاهش پیدا کند. از آنجایی که دی اکسید کربن نشانگر مناسبی برای فعالیتهای متابولیکی بدن انسان به شمار می آید، می توان از آن به عنوان یک ردیاب جهت تعیین میزان آلاینده هایی که منشاء انسانی دارند، استفاده نمود.

دی اکسید کربن می تواند برای اندازه گیری یا کنترل هر میزان تهویه ی مورد نیاز به ازای هر شخص به کار گرفته شود، صرف نظر از این که مقدار آلاینده ها یا بوی بدن در فضا چقدر باشد. در واقع، خط راهنمای ۱۰۰۰ قسمت در میلیون برای دی اکسید کربن که در 1989-62 Standard ذکر شده است، سطح تعادل برای مقدار تهویه cfm 15 به ازای هر شخص (7 L/S) است، با فرض اینکه مقدار دی اکسید کربن در خارج از ساختمان ۳۰۰ قسمت در میلیون باشد.

متاسفانه مقدار Ppm 1000 با اندازه گیری های انجام شده طی سال های اخیر در مورد غلظت دی اکسید کربن در اماکن شهری که رقم ۴۰۰ قسمت در میلیون را نشان می دهد، دیگر قابل اتکا نیست. به همین دلیل، غلظت ppm 1100 برای مقدار تهویه ی 15cfm به ازای هر شخص (7 L/S) مقدار صحیح تر به نظر می آید.

مبنای استفاده از دی اکسید کربن جهت کنترل تهویه، ریشه در قواعد فیزیولوژیک انسان دارد. تمام انسان ها با میزان فعالیت معین، مقداری قابل پیش بینی از دی اکسید کربن را به صورت بازدم در محیط پراکنده می سازند.

کنترل تهویه

تاریخچه ی دی اکسید کربن در دستورالعمل ها و استانداردها

یکی از اولین مراجع مرتبط با اندازه گیری مقدار دی اکسید کربن و تهویه، در یک هندبوک مهندسی مکانیک موجود است که اولین بار در سال ۱۹۱۶ توسط انتشارات McGraw Hill به چاپ رسید. حتی در آن سال ها که آغاز قرن پیش به شمار می آمد، این هندبوک به ارتباط بنیادین بین تهویه ی هوای خارجی و غلظت دی اکسید کربن ( که در واقع اساس CO₂DCV را تشکیل می دهند( اشاره نموده بود. این هندبوک توصیه می کرد که: این میزان دی اکسید کربن نبایستی از ۸ تا ۱۰ قسمت در ۱۰۰۰۰ (یا با مقیاس امروزی ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ قسمت در میلیون) تجاوز نماید.

نویسندگان همچنین مراجعی را در دستور العمل ساختمانی نیویورک در سال ۱۹۲۹ یافته اند که در آن ذکر شده است اتاق هایی که تهویه ی آن ها به طور مستقیم توسط پنجره ها تامین نمی گردد بایستی دارای روش هایی برای تهویه با قابلیت حفظ مقدار دی اکسید کربن محیط به میزان کمتر از یک قسمت در هزار (1000( ppm باشند.

 طی سال های بعد، 1989-ASHRAE Standard G62 ANSI به این نکته اشاره کرد که معیارهای رفاهی (بوی موجود در محیط) زمانی برآورده می گردند که میزان تهویه ی تامین شده برای محیط طوری تنظیم گردد که مقدار دی اکسید کربن از ۱۰۰۰ قسمت در میلیون تجاوز ننماید. این عبارات برای برخی از طـراحـان، نوعی سردرگمی از جهت بهترین کاربرد دی اکسید کربن برای کیفیت هوا و کنترل تهویه ایجاد می نمود.

 در نتیجه، قید مقدار معین دی اکسید کربن در این استاندارد، ۷ مورد از ۲۸ مورد درخواست های مطرح شده برای تفسیر استاندارد را تشکیل می داد. در سال ۱۹۹۷، یکی از نویسندگان تفسیری با نام 27-1989-62-IC ارائه نمود که بسیاری از موارد مرتبط با استفاده از دی اکسید کربن جهت کنترل تهویه را روشن می نمود. یک کپی از این تفسیر، همراه با تمام کپی های ارائه شده از اسـتـانـدارد 1999-62 ارائه می گردد. خلاصه ای از نکات کلیدی تفسیر 62-1989-27 IC که بایستی طبق استاندارد ۶۲ در طراحی یک راهکار CO₂ DCV لحاظ گردد، ارائه گردیده است.

 برای شفاف شدن بیشتر موضوع، خواننده بایستی به طور مستقیم به تفسیر یا مقاله ای که در نشست تابستانی سال 1998 ASHRAE با عنوان: کاربرد تهویه ی کنترل نیاز بر پایه ی CO با استفاده از 62 Standard ASHRAE:  بهینه سازی مصرف انرژی و تهویه ارائه شده است، رجوع نماید.

تهویه DCV

استفاده از کنترل دی اسید کربن چه مزایایی دارد؟

استفاده از کنترل دی اکسید کربن، می تواند به عنوان بخشی از رویه ی میزان تهویه مورد نیاز تحت شرایط معین برای تعداد متغیر و ادواری ساکنین (بخش 6.1,3,4) به کار گرفته شود، اما محاسبات مربوط به تعداد افراد یا میزان تهویه ی در نظر گرفته شده در طراحی را تحت تاثیر قرار نمی دهد.

راهکار کنترلی با استفاده از دی اکسید کربن، می تواند جهت مدوله کردن تهویه با میزانی کمتر از شرایط تهویه ی طراحی شده، به کار گرفته شود و در عین حال میزان تهویه ذکر شده در جدول (۲) مثلا ([ Cfm [7 LS15) را حفظ نماید. محل قرار گیری حس گر و انتخاب الگوریتم کنترلی بایستی براساس دستیابی به میزان تهویه ی ذکر شده در جدول (۲) صورت گیرد.

 راهکار کنترلی بایستی همچنین با در نظر گرفتن تفاضل ميزان دی اکسید کربن داخـل سـاخـتـمـان و خـارج از ساختمان طراحی گردد. راهکار کنترلی، باید زمان تاخیر پاسخگویی مناسب را، چنان که در استاندارد الزام گردیده است، تامین نماید. اگر از کنترل ₂CO استفاده می شود، مقدار تهویه ی لحاظ شده در طراحی باید طوری در نظر گرفته شود که تهویه ی مورد نیاز را برای سه ساعت کامل حضور افراد در زمانی که تعداد حاضرین در محل به حداکثر مقدار می رسد (و اغلب به عنـوان گوناگونی شرایط شناخته می شود)، تامین نماید.

 به عبارت دیگر، پیش بینی های متغیر مربوط به 6,1,3,4، نمی تواند زمانی که از DCV استفاده می شود، جهت کم کردن حداکثر تعداد افراد حاضر به منظور کاهش دادن مقدار تهویه ی در نظر گرفته شده در طراحی، به کار گرفته شود. فیلتر کردن یا روش های حذف CO، غیر از روش رقیق سازی، نمی تواند در این فضاها به کار گرفته شود. یک میزان تهویه ی مبنا بایستی در طول زمان هایی که فضای داخلی توسط افراد اشغال شده است، تدارک دیده شود تا منابعی که با حضور افراد در ارتباط نیستند، بتوانند تحت کنترل قرار گیرند.

در 1989-62 Standard ANSI/ASHRAE تغییراتی نسبت به ویرایش قبلی این استاندارد صورت گرفته است تا مقدار مطلق 1000ppm دی اکسید کربن در آن حذف گردد. در عوض، این استاندارد به حفظ تفاضل مقدار دی اکسید کربن در فضای داخلی و خارجی اشاره کرده است. با ارجاع به مقدار 15cfm برای هر نفر به عنوان حداقل تهویه ی مورد نیاز، ایـن اسـتـانـدارد در حال حـاضـر مـقـدار تـفـاضـل 700ppm برای دی اکسید کربن بین فضای داخلی و خارجی به جای مقدار مطلق 1000ppm در نظر گرفته است.

 دستورالعمل های ساختمان، به استفاده از دی اکسید کربن برای کنترل تهویه اشاره نموده اند. این دستورالعمل ها به عنوان مرجعی برای بیشتر دستورالعمل های محلی و ایالتی در امریکا به کار برده می شوند. ویرایش فعلی دستورالعمل مکانیکی بین المللی، در بخش 403,3,1 به عملکرد سیستم ها اشاره نموده و بیان می دارد: «حداقل نرخ جریان هوای خارجی که سیستم تهویه بایستی بتواند طی زمان عملکرد خود تامین نماید، باید براساس میزان تهویه لازم برای هر شخص که در جدول 403,3 آمده است و همچنین تعداد واقعی افراد حاضر در محل، در نظر گرفته شود».

 در این عبارت که به عنوان مرجعی برای دستورالعمل مربوطه ایجاد شده است، استفاده از دی اکسید کربن برای کنترل تهویه، به عنوان مثالی از روش های موجود برای مدوله کردن تهویه براساس تعداد افراد حاضر در محیط ارایه گردیده است. این دستورالعمل در حال حاضر توسط دستورالعمل ساختمانی BOCA به عنوان مرجع استفاده شده و زمانی که سه دسـتـور الـعـمـل اصلی BOCA ,UBC, SBC در آینده ی نزدیک با هماهنگی با یکدیگر تبدیل به یک دستور العمل واحد شوند، به دستورالعمل مکانیکی مرجع مورد استفاده قرار خواهد گرفت.