Systemy detekcji gazów, a zapotrzebowanie energetyczne

Przy projektowaniu systemu detekcji gazów priorytetem jest bezpieczeństwo i funkcjonalność. Ze strony inwestora istotne będą także koszty zakupu i eksploatacji. Przy tego typu instalacjach rzadko jednak zastanawiamy się nad zużyciem energii elektrycznej związanym bezpośrednio z detekcją. Przy obecnych, dramatycznie rosnących cenach energii staramy się minimalizować jej zużycie w oświetleniu, urządzeniach czy codziennych zachowaniach (np. wyłączając urządzenia pracujące w trybie "stand-by"), ale zapominamy o niektórych elementach zakładając z góry, że przecież pobierają niewiele prądu i nic z tym nie zrobimy bo i tak muszą być. Tymczasem systemy detekcji gazów w odróżnieniu od oświetlenia lub innych urządzeń pracują ciągle i do tego mogą sterować urządzeniami o znacznym poborze prądu (np. wentylacją mechaniczną). Oznacza to, że w obu przypadkach oprócz bezpieczeństwa, możemy projektować systemy efektywne energetycznie.

24 godziny zużywania enegii...

Kilka czynników ma wpływ na "prądożerność" systemów detekcji gazów. Pierwszy z nich to wybór odpowiedniej technologii komunikacji i wykonania. Nowoczesne technologie cyfrowe zużywają znacznie mniej energii niż stare rozwiązania analogowe.

Przykład:
Analogowa centrala dla 16 detektorów zużywa ok. 50-80W (średnio 65W)
Cyfrowa centrala obsługująca do 128 detektorów zużywa ok. 3,6W
Różnica wynosi więc ok. 95%

Drugim elementem jest zastosowana technologia pomiarowa czyli rodzaj sensora jaki stosujemy. Niektóre technologie wymagają podgrzewania elementu czułego (sensora) co oznacza, że będą zużywać znaczne ilości prądu. Weźmy pod uwagę przykładowy sensor tlenku węgla (dane w uproszczeniu).

Przykład:
Sensor półprzewodnikowy tlenku węgla pobiera ok. 150mA
Sensor elektrochemiczny tlenku węgla pobiera ok. 2mA
Różnica wynosi więc ponad 98%

Inny przykład dla metanu: Sensor półprzewodnikowy metanu pobiera ok. 150mA
Sensor katalityczny metanu pobiera ok. 56mA
Różnica wynosi więc ponad 63%

Alarmy systemu detekcji powodujące straty energii...

Wentylacja mechaniczna stanowi znaczny współczynnik zużycia energii, a do tego bardzo nieefektywny ponieważ znaczna ilość pobieranego przez nią prądu to straty. Wentylacja jest jednak ważnym elementem, który ma zapewnić bezpieczeństwo obiektu i nie można jej po prostu wyłączyć lub zredukować poniżej wymaganych parametrów. Inżynierowie od wentylacji już dawno dostrzegli zagadnienie zużycia energii oraz dopasowania wydajności wentylacji tworząc wielostopniowe układy sterowania lub nawet płynną regulację obrotów silników wentylatorów. Systemy detekcji sterują wentylacją w zależności od stężenia gazu i załączają jej pracę kiedy jest to konieczne z siłą jaka jest wymagana. A przynajmniej powinno tak być. Niestety w praktyce już tak kolorowo nie jest. Starsze systemy oparte o sterowanie 1-progowe lub 2-progowe działają na zasadzie włącz/wyłącz i z reguły uruchamiają wentylację na 100% mocy niezależnie od tego czy jest to potrzebne. Taki sposób sterowania jest nieefektywny. Obecnie nowoczesne systemy dysponują 4 progami alarmowymi lub płynnym sterowaniem opartym o sygnał 4-20mA. Oznacza to, że można załączać wentylację precyzyjnie do stężenia gazu minimalizując zużycie energii (i resursu urządzeń wentylacyjnych), a jednocześnie zapewniając bezpieczeństwo na prawidłowym poziomie i przekazując obsłudze prawidłowe informacje o zagrożeniu.

Istotne jest także rozróżnienie sterowania wentylacją np. w halach garażowych. Zagrożenie ze strony spalin (tlenku węgla) jest związane z pracującymi silnikami i rośnie stopniowo więc można stosować ekonomiczną wentylację stopniową dopasowną do natężenia ruchu (stężenia spalin). Mówiąc wprost nie ma potrzeby na dużym parkingu uruchamiać kilkudziesięciu wentylatorów na pełnej mocy gdy przejedzie jeden samochód. Z drugiej strony jeżeli mamy zagrożenie ze strony LPG to rozszczelnienie instalacji może następować gwałtownie i wentylacja powinna zadziałać lokalnie z pełną mocą aby nie dopuścić do zagrożenia. Efektywne będzie więc wyznaczenie odpowiednich stref i rozróżnienie sterowania w zależności od typu gazu jaki wykrywamy, w przeciwieństwie do włączania pełnej wentylacji od dowolnego alarmu z dowolnego czujnika.

Przy gazach toksycznych przepisy dodatkowo wprowadzają wymogi progów alarmowych opratych nie o wartość chwilową (bieżącą) tylko o wartość średnią (AV – average value). Oznacza to, że detektor zareaguje nie wtedy gdy stężenie przekroczy wartość X tylko wtedy gdy stężenie przekroczy wartość X dla danego przedziału czasowego (średniej zgodnie z wymogami). W uproszczeniu detektor zadziała później co oznacza mniej pracy wentylacji (chwilowy wzrost gazu ponad poziom nie stanowi zagrożenia i tym samym nie uruchomi alarmu detektora). Czyli w przypadku gazów toksycznych wybierając detektory dla naszego obiektu powinniśmy zwróćić uwagę czy mierzą one średnią ważoną. Ten parametr działa jednak także w drugą stronę. Detektor "odpuści" alarm dopiero kiedy stężenie średnie obniży się do wymaganego. A więc kiedy gazu już nie będzie, a detektor nadal może podtrzymywać pracę wentylacji. I tu warto wybrać dobre rozwiązanie sprawdzonego producenta ponieważ to od jakości wykonania, zastosowanej technologii i algorytmu zależy jak długo taka praca wentylacji będzie trwała. Tu duże znaczenie ma tzw. liniowa charakterystyka sensora czyli pomiar proporcjonalny do stężenia gazu. Im bardziej proporcjonalny pomiar tym lepszy algorytm. Producenci nie będą się chwalić swoim "tajnym" oprogramowaniem, ale projektując wiemy, że sensor elektrochemiczny ma znacznie lepszą charakterystykę niż sensor półprzewodnikowy.

Podsumowanie i wnioski projektowe
Wyraźnie widać, że w systemach detekcji jest miejsce na redukcję zużycia energii. Wydawałoby się, że nie są to wielkie ilości, ale pamiętajmy, że trzeba je pomnożyć przez działanie 24h/dobę 365dni w roku i ilość urządzeń, których potrafi być kilkadziesiąt lub kilkaset w największych instalacjach. Obecnie chodzi już nie tylko o koszty energii, ale o jej dostępność i widmo konieczności ograniczania zużycia mocy dla obiektów. Coraz trudniej dostępna energia z paliw kopalnych będzie zastępowana przez lokalne systemy energii odnawialnej, które mogą nie generować mocy do jakich sie przywyczailiśmy.

Projektując system detekcji gazów wybierajmy więc rozwiązania nie tylko bezpieczne, ale i efektywne energetycznie. Z powyższego wynika wyraźnie, że wprowadzając nowoczesne cyfrowe systemy z 4-progowym sterowaniem i detektory z sensorami elektrochemicznymi lub katalitycznymi możemy wprowadzić znaczne redukcje w zużyciu enegii i poprawić bezpieczeństwo obiektu.