Koncepčný pohľad na návrh vetrania a miestneho odsávania chemických laboratórií

Pri súčasných dostupných technológiách možno dosiahnuť aj v takýchto priestoroch ekonomickú prevádzku a nijako neznižovať kvalitu vnútorného prostredia.

Vetranie laboratórií je obsiahla a komplexná téma. Dostať sa k projektu riešenia laboratória nie je zvyčajné, no v praxi je možné naraziť na takúto situáciu. Dosiahnuť optimálne podmienky vnútorného prostredia v takých priestoroch je veľmi náročná úloha, ktorá si vyžaduje dôsledné riešenie mnohých súvislostí a spoluprácu rôznych odborníkov.

Laboratóriá sú dôležitou súčasťou priestorov vo farmaceutických, v medicínskych či rôznych ďalších odvetviach. Laboratórne priestory možno nájsť aj v budovách škôl, v ktorých sa študenti pripravujú na prácu v spomínaných odvetviach. Najdôležitejšou úlohou vetrania daných priestorov je zabezpečiť zdravotne vyhovujúce prostredie pre ich užívateľov.

Za škodliviny, ktoré sa v uvedených priestoroch vyskytujú, možno považovať širokú škálu kontaminantov. Najčastejšie ide o tvorbu výparov a plynov pri práci s rôznymi chemickými zlúčeninami. V špecializovaných výskumných medicínskych laboratóriách sa vyskytujú prevažne mikrobiálne škodliviny − baktérie, plesne, vírusy a pod.

Ak odhliadneme od zdraviu nebezpečných látok, laboratóriá bývajú vybavené aj početnými rôznorodými elektrickými zariadeniami nevyhnutnými na vykonávanie špecifických činností, škodlivinou je preto aj tepelný zisk z vnútorného zdroja tepla, ktorý môže vznikať pri premene elektrického príkonu zariadení na teplo [1].

Význam a komplexnosť vetrania laboratórií

Určité typy laboratórií možno považovať za čisté priestory, príkladom sú laboratóriá určené na výrobu liekov vo farmaceutickom priemysle. Pre daný typ priestorov je zväčša nutné dosiahnuť veľmi presne špecifikované požiadavky na kvalitu vzduchu, počnúc presne definovanou relatívnou vlhkosťou cez teplotu až po čistotu vzduchu [2].

Písať o vetraní laboratórií vo všeobecnosti je náročnejšie ako opisovať riešenie konkrétneho prípadu, a to hlavne z dôvodu, že dané priestory môžu mať výrazne špecifické a odlišné požiadavky. Je náročné hľadať a opisovať všeobecne platné pravidlá, tento článok sa však pokúsi zhrnúť najdôležitejšie skutočnosti, na ktoré treba myslieť pri návrhu a ďalej s nimi v súvislostiach pracovať či adaptovať ich na konkrétnu situáciu. Poskytne tiež prípadovú štúdiu, v ktorej rozoberá návrh riadiaceho systému.

Vymedzenie priestoru na prácu s nebezpečnými látkami ako kľúčový prístup k zachovaniu bezpečnosti práce v laboratóriách

Najefektívnejším spôsobom ochrany pracovníkov pred škodlivinami, ktoré sa tvoria pri práci s nebezpečnými látkami, je ich izolácia od zvyšku priestoru. Laboratóriá (obr. 1) preto zväčša disponujú stolovými digestormi či špeciálnymi ochrannými skriňami, ktoré oddeľujú priestor na pobyt ľudí od priestoru, kde sa vykonáva práca s chemickými látkami [3, 4]. Dané zariadenia sú nevyhnutné na zabezpečenie minimalizovania potenciálnych zdravotných rizík spojených s prácou s chemickými látkami.

Digestory slúžia na vymedzenie priestoru na nebezpečnú prácu a zároveň poskytujú dodatočnú ochranu pred prípadným ostriekaním kvapalinami, zásahom odletujúcimi časticami či ochranu pred možným výbuchom a požiarom. Priestor ako celok je teda nutné riešiť odsávaním vymedzeného miesta na nebezpečnú prácu v kombinácii s čiastočnou či úplnou klimatizáciou priestoru na pohyb ľudí.

Najčastejším prípadom pri vetraní chemických laboratórií je využitie digestora alebo skrine, na ktorú je priamo napojené potrubie na odvod vzduchu. Výmena vzduchu nastáva tak, že množstvo vzduchu, ktoré je z priestoru digestora odvedené, je kompenzované vzduchom z priestoru v okolí digestora [6, 7]. 

Stanovenie výdatnosti vzduchotechnického zariadenia

Správne určiť potrebný objemový prietok odvádzaného vzduchu z priestoru práce s nebezpečnými látkami je relatívne náročné, v staršej literatúre sa uvádza, že pre stolové digestory sa bežne počíta s priemerným objemovým prietokom odvádzaného vzduchu v rozmedzí 500 až 600 m³/h na bežný meter dĺžky digestora. Odsávané množstvo vzduchu teda zodpovedá približne 500- až 600-násobnej výmene vzduchu v digestore. Pri digestoroch, kde dochádza k vývinu pary, sa množstvo odsávaného vzduchu zvyšuje o ďalších 50 %.

V menej náročných prostrediach, akými sú školské laboratóriá, je možné toto množstvo znížiť približne o 20 % [8]. Určiť potrebné množstvo odsávaného vzduchu je možné aj pomocou jednej z analytických metód stanovenia výdatnosti vzduchotechnického zariadenia, konkrétne výpočtom z bilancie škodlivín.

Škodliviny sa v pracovnom priestore môžu vyskytovať v rôznych koncentráciách vyjadrených buď hmotnostne (mg/m³), objemovo (%, ppm), alebo počtom častíc v objemovej jednotke – to sa týka prachu. Škodliviny môžu pôsobiť aditívne, keď sa ich pôsobenie sčíta, alebo neaditívne, keď je ich pôsobenie vzájomne nezávislé. Návrh nutného objemového prietoku vzduchu pri aditívnom pôsobení sa realizuje pre spolupôsobenie všetkých škodlivín, naopak, pri neaditívnom pôsobení sa objemový prietok odvádzaného vzduchu počíta pre každú škodlivinu samostatne a vzduchotechnické zariadenie sa navrhne na najvyšší vypočítaný prietok.

Najvyššie prípustné expozičné limity chemických faktorov v pracovnom ovzduší (NPEL) sú uvedené v nariadení vlády SR č. 355/2006 Z. z. [9]. Najvyšší prípustný expozičný limit pre chemické faktory je definovaný ako najvyššia prípustná koncentrácia chemického faktora (plynu, pary alebo hmotnostných častíc) v pracovnom ovzduší, ktorá vo všeobecnosti nemá škodlivé účinky na zdravie zamestnancov ani nespôsobí neodôvodnené obťažovanie, napríklad nepríjemným zápachom, a to ani pri opakovanej krátkodobej expozícii alebo dlhodobej každodennej expozícii počas pracovného života.

NPEL pre chemické faktory sú ustanovené priemernou hodnotou a krátkodobou hodnotou. Bližšie definície priemerných a krátkodobých NPEL možno nájsť v prílohe spomínanej vyhlášky. Hodnoty uvedené v tabuľkách danej vyhlášky majú predovšetkým hygienický význam, môžu však slúžiť aj ako podklad na výpočet výmeny vzduchu pri navrhovaní vzduchotechnických zariadení [1, 9, 10].

Iným spôsobom môže byť konzultovanie potrebného množstva vzduchu na zabránenie vzniku nebezpečnej atmosféry so špecialistom na dodávanú laboratórnu techniku. Postupovať možno aj podľa zahraničných technických noriem, ktoré sú prepracované detailnejšie, v každom prípade je však dôležité dodržať platnú legislatívu.

Ďalším krokom je stanovenie hygienického minima pre priestor laboratória, kde sa pohybujú ľudia. Použiť možno výpočet na základe dávky vzduchu na osobu, ak je zrejmé, aký počet ľudí bude v danom priestore pracovať, či výpočet podľa intenzity výmeny vzduchu v priestore.

Samozrejmosťou je možnosť využitia technických noriem a iných spôsobov stanovenia objemového prietoku s následnou kontrolou splnenia minima určeného vyhláškou. Ak by bol priestor čiastočne či úplne klimatizovaný a využívalo by sa chladenie vzduchom, ktorý by bol centrálne upravovaný vo vzduchotechnickej jednotke, je potrebné danú skutočnosť zohľadniť pri stanovení objemového prietoku privádzaného vzduchu.

V neposlednom rade sa odporúča riešiť priestory podtlakovým systémom na zabránenie úniku škodlivín do iných priestorov, čo sa odzrkadlí na vzájomnom pomere výsledných celkových objemových prietokov privádzaného a odvádzaného vzduchu.

Energetická úspornosť a efektivita systému

Navrhovať vzduchotechnické zariadenie na konštantný objemový prietok vzduchu je v súčasnosti už relatívne neprijateľné. Ak by bolo v priestore osadených viac odsávacích digestorov a budova by disponovala väčším množstvom takýchto priestorov, bolo by nutné vzduchotechnické zariadenie navrhovať na veľkú vzduchovú výdatnosť. Prevádzkovať také vzduchotechnické zariadenie na maximálny navrhovaný výkon by však bolo výrazne neekonomické.

Pri dnešných snahách o znižovanie uhlíkovej stopy a z pohľadu vlastníka priestoru aj o ekonomicky čo najefektívnejšiu prevádzku je takéto riešenie neprípustné. Najefektívnejšie a energeticky najúspornejšie riešenie sa dá dosiahnuť v situácii, ktorá umožňuje navrhnúť systém s variabilným prietokom vzduchu.

Pri takomto riešení je nutné stanoviť maximálny objemový prietok vzduchu, na ktorý sa navrhne vzduchotechnické zariadenie, a minimálny prípustný objemový prietok vzduchu pre rôzne ojedinele sa vyskytujúce prevádzkové stavy. Následne možno navrhnúť systém, ktorý dokáže variabilne meniť množstvo odvádzaného a privádzaného vzduchu podľa aktuálnej potreby.

Na trhu existuje celé spektrum riadiacich systémov využívajúcich rôzne stratégie na zachovanie požadovaných parametrov vnútorného prostredia. Úlohou je v tomto prípade zvoliť stratégiu vetrania a vyhľadať výrobcu, ktorý dokáže poskytnúť vhodné a spoľahlivé systémové riešenie.

Výber vhodných materiálov, druhu filtrácie a vhodných distribučných prvkov

Pri návrhu je nutné myslieť na použitie vhodného materiálu vzduchotechnických potrubí a triedu tesnosti, ktorá bude odlišná od bežných aplikácií. Určité koncentrácie rôznych chemických látok môžu na potrubie pôsobiť agresívne, čo môže viesť k jeho degradácii či ku kritickému poškodeniu a k následnému uvoľneniu nebezpečných látok do priestoru.

S danou skutočnosťou treba počítať aj pri výbere regulačných, protipožiarnych či iných prvkov, ktoré sa budú inštalovať na dané potrubie, a teda je nutné, aby boli schopné odolávať agresívnym koncentráciám chemických látok, s ktorými sa bude v priestore pracovať. Nevyhnutnosťou je voľba vhodnej vnútornej úpravy vzduchotechnickej jednotky a prvkov v komorách, cez ktoré bude agresívny vzduch prechádzať.

V prípadoch, kde sú prítomné horľavé plyny, pary alebo prach, existuje nebezpečenstvo výbuchu. Pri riešení takýchto laboratórií budú požiadavky na jednotlivé vzduchotechnické prvky ešte prísnejšie, výrobcovia však disponujú riešeniami aj pre takéto situácie.

Kľúčovým aspektom pri návrhu laboratórií je tiež adekvátna filtrácia vzduchu. V prípadoch, kde sa kladú mimoriadne požiadavky, bude nutné aplikovať viacstupňovú filtráciu. V laboratóriách, kde sa pracuje s vysokonebezpečnými látkami, je nutné zabezpečiť aj čistenie vzduchu, ktorý je z priestorov odvádzaný do vonkajšieho prostredia. Namieste bude prípadné využitie sorpčných filtrov [8].

V neposlednom rade je kľúčová voľba distribučných prvkov. Na dosiahnutie vysokého stupňa komfortu a bezpečnosti nesmie byť rýchlosť privádzaného vzduchu príliš vysoká, ale zároveň musí byť dostatočná na to, aby sa vzduch v laboratóriu dôkladne premiešal. Je dôležité, aby privádzaný vzduch nemal turbulentné prúdenie. Už pri návrhu je dôležité zohľadniť dispozičné rozmiestnenie nábytku a vybavenie laboratória pre čo najideálnejšiu voľbu polohy distribučných prvkov, pretože samotný nábytok a vybavenie budú mať vplyv na celkový obraz prúdenia vzduchu v priestore. Pre optimálne rozloženie zariadení a distribučných prvkov je vhodné využiť CFD simulácie [2, 6].

Návrh vetrania a jeho riadiaceho systému pre chemické laboratóriá v objekte vzdelávacieho charakteru – prípadová štúdia

Táto časť sa venuje príkladu voľby vhodnej stratégie vetrania pre chemické laboratóriá v stavebnom objekte školského charakteru (obr. 2). Na takéto laboratóriá sa kladú menej prísne požiadavky ako na profesionálne laboratóriá, no primárnym cieľom ostáva ochrana ľudí užívajúcich vnútorný priestor pred zdravotnými rizikami spojenými s prácou s chemickými látkami.

Prípadová štúdia analyzuje efektívne riešenie vetrania budovy školy s viacerými chemickými laboratóriami. Tie bolo vhodné spojiť do jedného funkčného celku, ktorý bude obsluhovať jedna vzduchotechnická jednotka, funkčne zabezpečujúca okrem vetrania aj miestne odsávanie.

Pri návrhu vzduchotechnického systému bolo nevyhnutné rozdeliť priestor do dvoch celkov: na zónu na pobyt ľudí a zónu na prácu s chemickými látkami. Izolovanie nebezpečnej práce bolo zabezpečené pomocou digestorov s otvárateľným ochranným krytom. Pre každú zónu bol výpočtom stanovený potrebný objemový prietok vzduchu.

V laboratóriách bolo ideálnou voľbou vytvoriť oproti susedným okolitým priestorom podtlak a zabrániť tak úniku škodlivín mimo laboratórií. Keďže v budove školy sa zrejme zvyčajne nebudú využívať všetky digestory naraz, no nárazovo môže nastať situácia, ktorá si bude vyžadovať plný vzduchový výkon, je vhodné navrhnúť celý systém s variabilným prietokom vzduchu. V každej situácii si však musí zachovať určené tlakové pomery, čo znamená, že aj pri zníženom vzduchovom výkone dokáže zachovať v priestoroch podtlak.

Pre navrhované laboratóriá v budove školy sa preto zvolila stratégia inteligentného riadenia podtlaku. Neoddeliteľnou súčasťou celého návrhu systému riadeného podtlaku bol podrobný návrh regulačných prvkov. Aby celý systém fungoval správne, bolo nutné navrhnúť VAV (Variable Air Volume) regulátory, napojené na centrálny riadiaci systém.

Voľba padla na prvky s rýchlejším reakčným časom od spoločnosti TROX. Reakčný čas je dôležitý práve z dôvodu nutnosti rýchleho zásahu v prípade, že snímač kvality vzduchu zaznamená v digestore vysokú koncentráciu nebezpečných látok. Tým sa zabezpečí, že v žiadnom prípade nemôže dôjsť k úniku nebezpečných látok z digestorov.

Do systému boli navrhnuté prvky, ktoré zaistia automatické spustenie odsávania v prípade otvorenia digestora a začiatku chodu práce. Pre možnosť okamžitého spustenia odsávania je potrebná zmena polohy klapky vo VAV regulátore umiestnenom na potrubí vedenom od digestora, čo znamená, že prvky, ktoré dokážu detegovať otvorenie krytu digestora, musia byť schopné efektívne komunikovať s riadiacim systémom.

Správne navrhnutý riadiaci systém by mal byť schopný ekonomicky efektívne pracovať v situáciách, keď nie je zvýšená potreba odvádzania vzduchu, ale aj zabezpečiť rýchlu reakciu, napríklad na začiatku práce s chemikáliami, alebo dokonca zvýšiť prietok odvádzaného vzduchu v prípade začiatku tvorby nebezpečnej koncentrácie chemikálií. Spustenie odsávania digestora bez zmeny objemu privádzaného vzduchu do priestoru by však výrazne narušilo tlakové pomery v miestnosti.

Aby k takejto situácii nedošlo, bolo nutné osadiť VAV regulátory aj na potrubí na prívod a odvod vzduchu zo samotnej miestnosti. Navrhovaný riadiaci systém dokáže zaznamenávať množstvo odsávaného vzduchu zo všetkých zariadení a z koncových prvkov a riadiť množstvo privádzaného vzduchu na základe absolútneho rozdielu medzi privádzaným a odvádzaným vzduchom. Bolo potrebné myslieť na to, že narušenie tlakových pomerov môže nastať aj z iných dôvodov – napríklad otvorením dverí do priestoru.

Preto je v miestnosti osadený snímač tlaku. Navrhnutý bol ako ďalší vstup pre riadiaci systém, ktorý je schopný vyhodnotiť situáciu a upraviť polohu klapky vo VAV regulátoroch tak, aby boli v miestnosti zachované navrhované tlakové pomery. Systém je takisto schopný ovládať otáčky ventilátorov vo vzduchotechnickej jednotke.

Aby ako celok fungoval správne, vyžaduje sa vždy dostatočný tlak v potrubnom systéme. Efektívne dosiahnutie dostatočného tlaku je možné za pomoci merania tlaku v potrubí alebo vyhodnotením kombinovaných polôh klapiek všetkých ovládacích prvkov. Na obr. 3 je prezentovaný koncepčný návrh vetrania jedného zo spomínaných chemických laboratórií v školskom zariadení.

Navrhovaný systém dosiahol:

• energetickú efektívnosť: variabilný prietok vzduchu znižuje energetickú náročnosť, keď nebudú v prevádzke všetky digestory;
• zachovanie tlakových pomerov: vďaka inteligentnému riadeniu sa podarilo udržať vopred nastavené tlakové pomery aj pri zníženom prietoku vzduchu;
• rýchlu reakciu na zmeny: systém dokáže okamžite reagovať na prevádzkové zmeny, čím zabezpečuje vysokú mieru bezpečnosti.

Z doterajšieho hľadania relevantných systémových riešení sa pre návrh vetrania laboratórií zdá v danej problematike vhodný systém vzduchotechniky od spoločnosti TROX, ktorej prvky boli využité aj pri návrhu vetrania spomínaných školských laboratórií.

V ich projekčných podkladoch možno nájsť detailne spracované stratégie vetrania laboratórií a k nim prislúchajúcich vzduchotechnických prvkov a riadiaceho systému. Návrh prípadovej štúdie bol značne inšpirovaný práve veľmi dobre spracovanými technickými príručkami. Pri riešení takých náročných priestorov, akými sú laboratóriá, určite každý ocení aj možnosť konzultácie s odborníkmi, ktorí majú za sebou úspešné realizácie na skutočných projektoch. 

Záver

Návrh vetrania laboratória prináša so sebou nutnosť umného vyhodnocovania rôznych aspektov. Od prípadu k prípadu sa môže diametrálne líšiť, každú situáciu je nutné precízne a individuálne zvážiť. V každom prípade, pri súčasných dostupných technológiách je možné dosiahnuť ekonomickú prevádzku a nijako neznižovať kvalitu vnútorného prostredia. Správnym riadiacim systémom, dobre zvolenou stratégiou a výberom vhodných vzduchotechnických komponentov možno dosiahnuť v minulosti nemysliteľnú prevádzku.

Treba však, žiaľ, konštatovať, že v mnohých prípadoch sa narazí na neúspešné presviedčanie investora o výhodách nového prístupu riešenia koncepcie vetrania laboratórií, pretože spomínané systémy sú z hľadiska počiatočnej investície nákladné. No tak, ako sa stalo raritou donedávna bežné používanie CD nosičov či papierových máp, tak sa postupne stanú raritou aj systémy, ktoré nebudú mať prívlastok inteligentné.

Prácu podporila Agentúra na podporu výskumu a vývoja SR v rámci projektu APVV-21-0144.

TEXT A FOTO: Bc. Lukáš Michalák, doc. Ing. Zuzana Straková, PhD.
ILUSTRAČNÝ OBRÁZOK: Shutterstock

Článok bol uverejnený v časopise TZB 3/2024