|
- вытяжная
- приточная
- приточно-вытяжная. Общеобменная.
Основные качественные параметры характеризующие вентиляцию с механическим побуждением ( т.е. когда воздух меняется за счет механических средств - вентиляторов) являются объем воздуха поступающего или выходящего из помещения количественно определяемый в м3 и обзываемый расходом воздуха (м3/час), еще один количественный параметр - кратность воздухообмена в помещение т.е. сколько раз за один час меняется воздух в помещении т.е. это отношение воздуха поступающего в помещение к его объему. Есть еще параметры определяющие комфортность пробывания человека в помещении так же имеющие непосредственное отношение к вентиляции и ее качеству, температура, относительная влажность, скорость движения воздуха в помещении, содержание пыли в воздухе, газовый состав и запахи, уровень шума. Далее, механическая вентиляция может быть вытяжной, когда механически удалятся определенный объем воздуха, который потом возмещается поступлением воздуха из соседних помещений или же путем инфильтрации ( уж больно словечко замечательное :) ). Такой тип применяется для вентиляции санузлов или кухонных помещений, причем надо еще добавить что вытяжная вентиляция может быть как общей так и местной. Так вытяжной колпак над кухонной плитой можно отнести к местной вытяжной вентиляции ибо происходит удаление вредностей и избыточного тепла непосредственно у очага их образования, не давая распространиться загрязненному воздуху по всему помещению, а стало быть желаемый результат т.е. чистый воздух можно обеспечить минимальным расходом воздуха. Думаю, не сложно предположить, что только вытяжная вентиляция квартир имеет достаточно ограниченное применение, допустим если Вам необходимо создать в комнате 2-3 кратный воздухообмен, т.е. поменять воздух раза 2-3 в час, можно подобрать вытяжную систему способную удалить сей объем, однако, необходимо помнить, что природа не любит пустоты, взамен удаляемому воздуху, обязательно должен поступить такой же объем замещающего воздуха, который как мы уже отмечали придет из соседних помещений или снаружи, если таковая возможность будет, а будет это когда щели или другие возможные проходы для воздуха смогут пропустить в час 2-3 объема комнаты. Когда воздух придет из соседних помещений - где гарантия что он свеж и чист? Когда же удаляемый воздух замещается проникающим наружным воздухом, то вместе с ним в помещение неизбежно устремляется холод, если за бортом уже не лето (заметьте, что это весьма характерно для нашей Родины), или уличная пыль, кто из нас не сталкивался с пылевыми "барханами" на подоконниках, а представьте, если эффект усилен работающей вытяжной вентиляцией. Но есть и приточная вентиляция. Приточная вентиляция поставляет свежий наружный воздух в помещение, догреть поступающий воздух до необходимой температуры или очистить от пыли - вопрос техники. Вот вроде и решение, однако если воздух поступает извне, то в помещение неизбежно будет расти давление, кто из нас не надувал воздушные шары, это давление в итоге станет препятствием для приточного воздуха, но это в идеале. На практике же воздух уходит из помещения благодаря все той же пресловутой инфильтрации, только теперь из помещения. Но, пропускная способность всех щелей в помещении ограничена, ибо и назначение любого помещения как раз в изоляции внутреннего объема от внешней среды, поэтому вряд ли приточная вентиляция способна обеспечить интенсивный воздухообмен даже при очень сильном механическом побуждении.
Вот и напрашивается законный вывод - необходимо подавать определенный объем воздуха и одновременно такой же удалять, и такие вентиляционные системы называю приточно-вытяжными наиболее распространенный класс, на сегодняшний день, общеобменной вентиляции. Итак далее мы будем рассматривать именно приточно-вытяжные вентиляционные системы.
Основное требование к вентиляционной системе - обеспечить необходимый уровень обмена воздуха в помещении при соблюдении определенных климатических параметров внутри помещения, именно от объема обработанного вентиляционной системой воздуха зависит и ее стоимость и последующие эксплуатационные расходы. Для ответа на сей непраздный вопрос мы определимся, что будем пока рассматривать требования к жилым и административным помещениям, а вот многовариантные требования к промышленным помещениям оставим и рассмотрим отдельно.
Итак, во-первых, всем понятно зачем вообще необходим свежий воздух внутри помещения, конечно, для дыхания, и вот руководствуясь именно этой основной задачей и можно определить необходимый объем приточного воздуха в помещение. Очевидно, что он будет зависеть от количества людей в помещении. Итак принято считать, что на одного взрослого человека необходимо 30 м3/час, на ребенка можно и 20 м3/ч. Это цифра была подобрана почти опытным путем и закреплена в соответствующих документах регламентирующих проектирование вентиляционных систем. ( Представьте, что у среднего взрослого человека объем легких 4,5 литра или 0,0045 м3 и дышит он не чаще 1 раза в секунду, да и то неполной грудью, - это всего 16,2 м3, но есть еще время, которое отработанный воздух будет находиться в помещении, трудно же представить, что каждый следующий вдох будет свежим воздухом.)
Для жилых помещений в нашей стране определена так же норма в 3 м3 на кв.метр жилой площади, и она не лишена смысла, ибо точно определить количество людей в квартире или комнате невозможно и это величина отталкивается от принятых норм жилой площади на одного человека, стоит учесть также, что вентиляция кроме подачи свежего воздуха производит удаление отработанного, который содержит в себе все вредности выделяемые внутри помещения, от радиоактивного радона до ядовитых испарений современных моющих средств, один комет со своим замечательным хлором чего стоит! Затронув проблему загрязнения внутреннего воздуха, мы подошли к следующему параметру вентиляционных систем - КРАТНОСТИ. Нормативные требования сводятся к 0,5-1 кратному обмену в жилых помещения и 3 кратному на кухнях. Но заметьте, что расчет на кратность не учитывает количество людей и интенсивность загрязнения внутреннего воздуха, а расчет на количество людей не учитывает объемы помещений и также выделение вредностей в них.
Очевидно необходим более точный расчет, который учитывает и то и другое, а стало быть и более точное описание помещений, однако опыт заключенный в регламентирующих документах ни в коем случае не стоит отвергать. Замечено, что при кратности воздухообмена в помещении менее 0,5 человек ощущает духоту в жилом помещении, а в рабочем офисе рекомендуется кратность уже от 3 до 8. Ниже приведены рекомендованные значения рассмотренных параметров стандартом ASHRAE, DIN 1946 уважаемом во всем мире для определения объема вентиляции V.
Кратность воздухообмена. Объем V=n*Vp , где n - кратность, Vp - объем помещения.
Таблица 1.
| Виды помещений
|
Кратность воздухообмена, n (1/час)
|
| Офисные помещения
|
3 - 8
|
| Школьный класс
|
3 - 8
|
| Театр, кинотеатр
|
4 - 6
|
| Торговое помещение
|
4 - 8
|
| Хозяйственное помещение (склад)
|
1 - 2
|
| Ресторан
|
8 - 12
|
| Бар
|
10 - 15
|
| Кухня
|
10 - 30
|
| Универсальный магазин
|
3 - 6
|
| Гостиничный номер
|
4 - 6
|
| Серверная
|
5 - 10
|
|
Расчет на количество людей в помещении.
Объем вентиляции V = n * Vi , где n - количество человек, Vi - норма наружного воздуха на одного человека
Таблица 2.
| Тип помещения
|
Vi
|
| Рекомендуемые
|
Минимальные
|
| Театры, кинозалы, конференцзалы (курение запрещено)
|
40 куб.м. на чел.
|
20 куб.м. на чел.
|
| Кафе, рестораны (Курение разрешено)
|
60 куб.м. на чел.
|
40 куб.м. на чел.
|
|
Обратите внимание на значения в Таб. 1 и Таб 2., если принимать значения в таблице 1 за основу, то получаются они приводят к гораздо большему объему вентиляции, нежели тот, который бы получился при расчете от значений Vi по таблице 2. Ну например офис, среднее рекомендованное значение воздухообмена 5,5 крат, предположим что в помещении площадью 100 кв.м и высоте потолков 3 м работают около 10 человек (10 кв.м. на человека - достаточно плотно, при учете всей площади офиса). Тогда отталкиваясь от расчета по таб.2 необходимый объем вентиляции 10*40=400 м3/час., а если отталкиваться от рекомендаций по таб.1 то получается 100*3*5,5 = 1750 м3/час - ничего себе разница! Но что интересно, никакого парадокса здесь нет. Все дело в том, что рекомендации по таблице 1 основаны на основе усредненного учета всех параметров внутренней среды помещения определяющих комфортные условия для находящихся там людей. Об этом мы говори ли выше - температура, влажность, запахи, движение воздуха, температура ограждений (стен, потолка и т.п.), более того возможность влиять на них.
Вот и подошел момент, чтобы определить, что же должна уметь современная система вентиляции, какие к ней предъявляются требования на сегодняшний день.
Что умеет и что должна уметь современная система вентиляции.
Итак мы определили, что вентиляционная система помимо подачи свежего наружного воздуха необходимого для дыхания должна по возможности поддерживать и другие параметры отвечающие за комфортные климатические условия в помещении. Далее мы рассмотрим это подробнее.
Для того чтобы наружный воздух попал в помещение необходима приточная установка обрабатывающая поступающий воздух и система воздухов для его раздачи по помещению.
Для решения вопроса обеспечения санитарных норм необходимого для дыхания воздуха необходимый объем определяется из расчета на одного человека. Для того, чтобы подать этот воздух, необходимо его очистить от пыли и, при необходимости, довести его температуру до нормальной температуры в помещении. Ну представьте, что в помещение хлынет морозный воздух, как через распахнутое настежь окно, вряд ли кому-то нужна подобная вентиляция.
Вот и настал момент ввести новое определение, а именно, если вентиляционная система не только проветривает, что следует из определения, но и обрабатывает каким-то образом наружный воздух и стремится поддержать какие-то необходимые климатические параметры в помещении, то такую систему правомернее назвать системой кондиционирования воздуха или СКВ.
Кондиционирование воздуха (лат. condicio условие, требование) - создание и поддержание в закрытых помещениях и транспортных средствах состояния воздушной среды, наиболее благоприятного для самочувствия людей, протекания технологических процессов, работы оборудования и т. п...
Далее говоря о современной вентиляции мы будем употреблять определение СКВ, как наиболее полное и правильное.
Итак к функциям агрегата поставляющего свежий наружный воздух в помещение непременно относиться его предварительная очистка от пыли, поэтому любоя приточная установка содержит в своем составе секцию фильтрации. Степень очистки приточного может варьироваться по необходимости от простейшего фильтра, задерживающего насекомых и городскую пыль (класс EU3 или EU4 по классификации EVROVENT, Германия), до фильтров задерживающих микроскопические частицы (класс от EU9 и выше) применяемых, как правило в медучреждениях и "чистых цехах" в промышленности.
Далее подаваемый воздух следует довести до необходимой температуры.
Температура и влажность, скорость воздуха в помещении
Рис.2.
Температура и влажность воздуха в помещении являются важнейшими параметрами, определяющими состояния комфорта внутри помещения. Организм человека постоянно выделяет теплоту в зависимости от физической активности, так спокойно спящий взрослый человек выделяет в среднем около 80 Вт., а при больших физических усилиях уже 300 Вт.
Эта теплота должна отводиться от человека дабы не допустить перегрева )), отводиться это тепло главным образом путем теплообмена с окружающим воздухом, поэтому кроме одежды важным показателем теплового комфорта для человека является температура окружающего воздуха. Рекомендуемые значения температуры воздуха в помещении по различным стандартам находятся в пределах 20-22 С в имний период и 22-26 С - в летний. Еще один физический параметр внутренней атмосферы непосредственно влияющий не теплообмен организма человека это влажность воздуха, характеризующая его насыщенность водяными парами. Так недостаток влажности, менее 20 % относительной влажности, приводит к пересыханию слизистых оболочек, вызывает кашель, а превышение уровня влажности, более 65%, приводит к ухудшению теплоотдачи при испарении пота, возникает чувство удушья. Поэтому температура должна соотноситься с уровнем влажности. На графике представленном на рис.2 обозначены температурно-влажностные параметры ограниченные зеленым цветом, при которых человек чувствует себя комфортно. Действительно, если в Казахстане и при 30 С дышать можно, то в Питере при 26 С уже невыносимо, влажность разная. Еще один фактор влияющий на тепловой обмен человеческого организма с окружающим воздухом является скорость движения воздуха. Одно дело - выдержать 26 С, когда отсутствует всякое движение воздуха, другое дело - приятный бриз на бегу моря, однако и влажность и температура при этом будут те же.
Скорость воздуха определяется в рабочей зоне помещения т.е. там где находятся люди, а именно в пространстве от 0,15 м. от пола до 1,8 м по высоте и на расстоянии не менее 0,15 м стен. Скорость воздуха в рабочей зоне рекомендуется в пределах 0,13-,025 м/с. при меньшей скорости - душновато или даже жарковато, при большей - просто сквозняк, допускать который имеет смысл только при повышении температуры нормативных значений.
Последний фактор непосредственно влияющий на температурный комфорт - температура ограждающих поверхностей. Температура стен, потолка и прочих поверхностей внутри помещения также вносят свою лепту в теплообмен человеческого организма благодаря инфракрасному излучению переносящему теплоту с этих поверхностей, которую тоже во многих случаях необходимо учитывать. Современные инфракрасные нагреватели позволяют поддерживать относительно низкую температуру воздуха в помещениях, при этом чувства холода нет, таким же образом приятно ощущать тепло камина в достаточно прохладной комнате.
Итак, мы рассмотрели все параметры определяющие климатический комфорт в помещении и возвращаемся к устройству СКВ, которые и должны по возможности поддерживать эти параметры.
Опытным путем установлено, что для поддержания температурных параметров необходима кратность не менее 5 - 5, 5 обменов, это обеспечит равномерность температуры в помещении и не допустит большой разницы температур обработанного приточного воздуха и необходимой температурой в рабочей зоне. Эта разница не должна превышать 2-4 С. Рассуждения очень простые, если необходимо поднять температуру воздуха в помещении - подавать подогретый воздух, если понизить температуру в помещении - охлажденный воздух, если температура в норме - подавать воздух с температурой помещения, дабы не нарушить установившийся тепловой баланс. Остается только определить температуру приточного воздуха, который смешавшись с внутренним воздухом даст необходимую температуру в рабочей зоне, вполне логично, что чем меньше количество подаваемого воздуха, тем больше должна отличаться его температура от требуемой в помещении, и наоборот, если объем достаточный, то температура может незначительно отличаться, в идеале воздух необходимой температуры просто заменит воздух ненормативной температуры. В этом месте можно сделать весьма значимый вывод - расход воздуха вентиляционной системы или системы кондиционирования воздуха находиться в пределах от минимально необходимого количества наружного воздуха для дыхания и расходом поддерживающим температурно-влажностные параметры во всем объеме помещения, если в помещении нет интенсивного выделения вредностей, которые необходимо удалять.
С этого момента необходимо определиться в подходах к решению такой задачи, а именно в нахождении оптимального соотношения наружного воздуха в общем расходе воздуха СКВ.
Поясню, совсем необязательно весь расход СКВ обеспечивать за счет наружного воздуха, для поддержания температуры или влажности вполне можно использовать рециркуляцию т.е. подавать воздух в обслуживаемое помещение, забирая его в том же помещении. В самом деле очевидно, что энергетические затраты на обработку воздуха в помещении при рециркуляции будут несоизмеримо меньше, когда обрабатываемый воздух по своим параметрам будет незначительно отличаться от нормативных, а это наиболее вероятно, когда этот воздух поступает в воздухообрабатывающий агрегат из обслуживаемого помещения, в котором и поддерживаются заданные параметры. По такому принципу работают большинство бытовых кондиционеров, они забирают воздух из помещения, охлаждают или нагревают (иногда и сушат) и выбрасывают в то же помещение, кратность обмена при этом не менее 5. ( При меньшем расходе снижается эффективность поддержания температурных параметров).
Но такие кондиционеры, как правило, не способны обеспечивать помещения свежим наружным воздухом, поэтому в дополнение к ним необходимо добавить приточно-вытяжную вентиляцию поставляющую наружный приточный воздух и удаляющую отработанный рассчитанную по санитарным нормам в расчете на количество людей. ( При этом общая кратность СКВ будет в пределам рекомендованных в Таб.2 т.е. 5-8 крат). При таком подходе энергетические затраты на обработку воздуха стремятся к минимальным т.к. обрабатывается минимально возможное количество наружного воздуха, который может максимально отличаться от необходимых параметров. СКВ на базе приточно-вытяжной вентиляции подающей воздух для дыхания и кондиционеров в каждом помещении, поддерживающих температурный режим, широко распространены, благодаря относительно невысокой стоимости и возможностью поддержания температурного режима в каждом помещения, конечно, если кондиционеры установлены в каждом помещении, а так же возможностью поэтапного ввода. Поэтапность ввода заключается в том, что на первом этапе, например при реконструкции офиса или квартиры можно ввести систему приточно-вытяжной вентиляции т.к. данная система требует установки сети воздуховодов, монтировать которую лучше до чистовой отделки, а в дальнейшем оборудовать помещения кондиционерами, причем тоже в порядке очередности и необходимости. Справедливости ради надо таки заметить, что такие СКВ получили распространение прежде всего потому, что о поддержании температурных параметров задумывались позже, а первоначально ограничивались только непосредственно вентиляцией. (Иной раз ошибочно предполагая, что и температурный режим будет обеспечен тривиальной подачей свежего воздуха).
Аналогично предложенной схеме функционирует схема СКВ на базе приточно-вытяжной вентиляции и системы чиллер-фэнкойл. Чиллер или холодильная машина служит для подготовки охлажденной воды, а уже охлажденная вода по трубопрорводам раздается по всему зданию для охлаждения воздуха в приточных камерах (центральных кондиционерах) или непосредственно в помещениях.
Последняя СКВ относиться уже к центральному кондиционированию, но так же обеспечивает и подержание климатических параметров в каждом помещении, но при этом на все здание или комплекс помещений устанавливается один чиллер для подготовки холодной или теплой воды, которая потом используется вентиляторными доводчиками или фэнкойлами, установленными в каждом помещении и отвечающими за температурный режим. Наружный воздух может подаваться как централизованно, так и независимо в каждое отдельное помещения, если применены фэнкойлы канального типа, которые допускают обработку наружного воздуха. Эта схема наиболее распространена на Западе, особенно в крупных зданиях. (Уровень западной экономики и ее акценты требовал и позволял строить подобные инженерные системы, не только в промышленных, но и в жилых и общественных зданиях).
Преимущества подобной системы в ее долговечности (20-30 лет - расчетные сроки эксплуатации) и возможности самых различных комбинаций по топологии и мощностей, удаленность фэнкойла (обслуживаемого помещения) может быть практически любая, в отличие от фреоновых систем, где длинна трассы редко превышает 150 метров и на очень крупных объектах это решительное ограничение. Важным преимуществам является и то можно рассчитывать системы, которые могут снять пиковые нагрузки, без увеличения производительности самого чиллера, для этого достаточно подобрать соответствующий бак аккумулятор в котором накапливается расчетный запас холодной воды, классический пример - ночной режим работы, когда чиллер работает на аккумуляторный бак ночью, когда доступна вся электрическая мощность, а тарифы на электрическую энергию снижены. При том, что коэффициент потребленной электрической энергии - COP у фреоновых систем выше, итоговые эксплуатационные расходы у СКВ на базе чиллера могут оказаться ниже, а также первоначальные капитальные затраты на всю систему.
Важно и то, что при использования СКВ на базе чиллер-фэнкойл можно не строить систему отопления, т.к. обогрев помещений произведут все те же комнатные фэнкойлы, причем в особо точном температурном режиме, для этого достатоно предусмотреть источник тепла, в водяном контуре системы кондиционирования, это может быть автономный котел или теплообменник от центральной теплоснабжающей магистрали.
Чиллер с воздушным охлаждением
Комнатный фэнкойл
Канальный фэнкойл - с притоком наружного воздуха
Мы же вернемся к более общему принципу организации СКВ, когда воздух в помещения подается от одного воздухообрабатывающего агрегата или центрального кондиционера (кондиционера с приточным воздухом), как наиболее общего случая с максимальным набором возможностей. Итак, если нет в помещениях выделения вредностей (в административных и жилых зданиях) в целях экономии применяют рециркуляцию. Ниже приведена принципиальная схема подобной системы.
Рис.4.
При такой организации приточная установка забирает определенный объем воздуха Vн. Из внешней среды, часть воздуха забирает из обслуживаемого помещения - Vр, смешивает эти потоки и обрабатывает и подает во внутренние помещения - Vп=Vн+Vр. Далее подаваемый приточный воздух необходимо распределить по обслуживаемым помещением добиваясь нормированной скорости в рабочей зоне и с учетом максимального эффекта перемешивания или вытеснения внутреннего воздуха. Этот классическая организация система кондиционирования воздуха. Подобная система позволяет поддерживать любые климатические параметры, о которых говорилось выше, или только часть из них по необходимости, в случае выделения вредностей, рециркуляция может быть уменьшена или полностью отсутствовать, в таком случае весь поступающий воздух в помещение будет наружным, также можно будет исключить рециркуляцию и в летний период, когда нет необходимости тратить энергию на догрев поступающего воздуха.
И наконец вернемся к функциональным возможностям или обязанностям, как будет угодно, СКВ. Кроме подачи и фильтрации наружного воздуха для поддержания всех климатических параметров СКВ должна уметь нагревать, охлаждать, увлажнять или осушать воздух, а так же его распределить необходимым образом. Как это осуществляется технически рассмотрим на примере центрального кондиционера или центральной приточной установки.
Нагрев - осуществляется электрическим калорифером или водяным (паровым ) нагревателями. Для нашей климатической зоны мощность калорифера, исходя из заданного расхода наружного воздуха, определяется приблизительно из расчета 15 кВт. на каждую тысячу м3 - немалое значение. Поддержание температуры осуществляется в первом случае ступенчатым регулированием мощности электрического нагрева или изменением расхода горячей воды или пара.
Охлаждение - процесс охлаждения воздуха происходит в секции охлаждения, которая может представлять водяной радиатор, в котором протекает холодная вода или другой хладагент (допустим незамерзающая смесь воды и гликоля), контролируя расход хладагента, можно контролировать степень охлаждения воздуха. Также секция охлаждения может представлять собой радиатор, в котором происходит кипение фреона, т.е. по сути это испаритель кондиционера (см .Принцип действия кондиционера) поступающего из компрессорно-конденсаторного блока. Степень охлаждения воздуха регулируется дискретным включением компрессора воздушно-конденсаторного блока, таким образом точно поддерживать температуру приточного воздуха невозможно, что накладывает иногда ограничения на использование такого метода. Охлаждение воздуха возможно также в процессе адиабатического увлажнения воздуха в камере орошения. Камера орошения представляет собой камеру в которой установлены форсунки распыляющие воду, испарясь вода забирает тепло у воздуха, при этом его увлажняет. контролировать температуру воздуха при таком методе сложно (только температурой воды) при этом не контролируется влажность, поэтому этот метод редко используется в качестве основного. Позже мы подробнее рассмотрим подготовку хладагента для секции охлаждения.
Осушение - осушение воздуха или удаление из него паров воды возможно двумя методами.
Первый основан на адсорбционном методе. Этот метод основан на сорбционных (влагопоглощающих) свойствах некоторых веществ - сорбентов. Имея пористо-капиллярную структуру, сорбенты извлекают водяной пар из воздуха. По мере насыщения сорбента влагой эффективность осушения снижается. Поэтому сорбент нужно периодически регенерировать, т.е. выпаривать из него влагу путем продувания потоком горячего воздуха. Секция осушения построенная по такому методу, как правило, представляет собой ротор половина которого проходит через приточный воздух, а вторая половина через камеру восстановления, в которой сорбент отдает влагу. Второй метод конденсаторный, основан на он охлаждения воздуха ниже точки росы, когда происходит конденсация водяных паров в жидкую фракцию.Охлажденный воздух при этом нагревают потом до необходимой температуры. Так как процесс нагревания и охлаждения так или иначе уже востребованы в СКВ, то второй метод более распространенный.
Увлажнение - возможно двумя способами. Непосредственным добавлением водяного пара в приточный воздух - пароувлажнение. Поддержание влажности осуществляется путем контроля расхода водяного пара. Недостатком данного метода является высокая энергозатратность, связанная с подготовкой пара путем нагрева воды до испарения.
Второй способ основан на адиабатическом увлажнение в оросительной камере, принцип которой мы уже рассмотрели выше. При определенной температуре воздух может впитать строго определенное количество влаги, контроль увлажнения осуществляется путем регулирования температуры воздуха поступающего в камеру орошения., после прохождения камеры воздух может быть нагрет при необходимости. Данный метод получил наибольшее распространение из-за технологической простоты и энергоэффективности.
Рис.5.
Выше приведена принципиальная схема и типичный внешний вид центрального кондиционера или приточной установки с полным набором функций. Порядок работы установки следующий наружный воздух смешиваясь с рециркуляционным из помещения (если это возможно и необходимо) поступает на фильтр необходимой степени очистки, далее поступает в секцию первого подогрева, в которой он нагревается в зимний период до температуры необходимой для камеры орошения, чтобы вобрать строго определенное количество влаги, (секция охлаждения зимой не задействована и не оказывает никакого влияния на приточный воздух), далее в камере орошения воздух впитывает влагу, при этом охлаждаясь (тепло уходит на испарение воды), и поступает на второй подогрев на котором он нагревается до необходимой температуры, если потребуется. В летний период наружный воздух требуется охладить и как правило осушить. Поступающий приточный воздух проходит сквозь неработающую секцию предварительного подогрева и поступает на секцию охлаждения, где охлаждается до температуры ниже точки росы для установленного влагосодержания, далее на каплеотделителе осядут капли конденсируемой влаги и воздух поступи т на второй подогрев, где и нагреется до заданной температуры, если таковое необходимо. Если в помещениях нет необходимости контроля влажности, то секции увлажнения и второго подогрева просто отсутствуют, такие установки вполне подойдут для административных или жилых зданий, где влажность не столь важна или может быть поддержана другими способами ( как правило только в зимний период необходимо увлажнение, а летом в процессе охлаждения воздуха он частично осушается ). Для промышленных же помещений, необходим полный комплект. Так в полиграфической или электронной промышленности контроль климатических параметров особенно важен, и там применяются именно такие центральные кондиционеры (так как в большинстве случаев рециркуляция нежелательна). СКВ на базе центрального кондиционера имеет и свои недостатки, основные конечно связанны со сложностью распределения приточного (обработанного) воздуха по помещениям. Сложность состоит в том, что в каждом отдельном помещение необходимо поддерживать заданные параметры, а центральный кондиционер доводит параметры обработанного воздуха до определенных значений ориентируясь как правило на помещение с усредненными параметрами или самое большое, а поддержание параметров климата в других помещениях осуществляется с меньшей точностью, путем выставления определенного расхода воздуха. Когда помещения сильно отличаются друг от друга по влаго- или тепловыделением применение центрального кондиционера может оказаться не лучшим решением. Классический пример - здание с фасадами на север и юг, тогда возникает ситуация, при которой в солнечный день нагревается южная сторона здания и в помещения по этой стороне необходимо подавать охлажденный воздух, но при этом в северной части охлаждение не нужно, а поступление свежего воздуха тем не менее должно быть всегда. В таком случае одним воздухообрабатывающим агрегатом не обойтись, если не применять зонального регулирования, суть которого сводиться к контролю климатических параметров в каждом помещении или группе помещений, путем управления центральным кондиционером в сочетание с регулированием расхода воздуха в каждом помещении. Т.е. подобная система в нашем классическом примере, система переключит центральный кондиционер в режим охлаждения и большую часть воздуха отправит в южные помещения, а в северных сократит расход воздуха до минимума, через некоторое время, когда в южном крыле параметры воздушной среды достигнут заданных параметров, система переведет центральный кондиционер в режим нагрева и максимальный поток будет направлен уже в северные помещения, при этом расход в южных помещениях сокращается до минимума. Применение центрального кондиционера с зональным регулированием в ряде случаев оправдано и позволяет сэкономить на капитальных вложениях, но описанный выше алгоритм работы, как видите, имеет свои недостатки и в ряде случаев такая СКВ не может быть применена, к тому же стоимость зонального регулирования иногда вполне сопоставима со стоимостью ряда независимых систем.
Нам же осталось рассмотреть способы воздухораспределения в самих помещениях.
Способы воздухораспределения
Мы уже определили, для нормального функционирования вентиляции или в более общем случае системы кондиционирования воздуха необходимо поддерживать определенный воздухообмен в помещении т.е. подавать определенное количество воздуха и одновременно удалять. Для транспортировки воздуха от места забора приточного воздуха до помещения и наоборот из помещения до места выброса используют сеть воздуховодов, такая схема вентиляции самая распространенная и называется канальной (по приточным и вытяжным каналам). Диаметры воздуховодов рассчитываются таким образом, чтобы они могли пропустить необходимый объем воздуха и при этом скорость потока в них была не выше предельно допустимой, выше которой шум потока превышает установленный уровень. Воздуховоды чаще всего делают из оцинкованной стали, при малых расходах и коротких сетях используют гибкие или полужесткие воздуховоды, реже пластиковые или воздуховоды из нержавеющей стали. В самом помещении воздух распределяется через воздухо-распределяющие устройства, тип воздухораспределяющих устройств определяется в зависимости от принятого воздухораспределения. Существует два основных метода - вентиляция вытеснением замещением и вентиляция перемешиванием.
Вентиляция перемешиванием - способ вентиляции, при котором свежий приточный воздух в помещение таким образом, что происходит его перемешивание с воздухом в помещении.
Рис.6.
Воздухораспределительные устройства (решетки на стенах или потолочные диффузоры ) для вентиляции перемешиванием подбираются с высокой степенью эжекции.
Эжекция - способность подмешивать в приточную струю прилегающий внутренний воздух ( производить перемешивание)
Рис.7. Настенные решетки с высокой степени эжекции
Эжекция возможна только при достаточно высокой скорости потока на выходе воздухораспределительного устройства ( более 0,2 м/с), а увеличение скорости потока при заданном расходе воздуха можно добиться при уменьшение площади отверстия выхода воздуха, поэтому при вентиляции перемешиванием воздухораспределительные устройства небольшие и соответственно недорогие, именно поэтому самый распространенный тип - вентиляция перемешиванием. Ограничения на применение эжекционных воздухораспределителей, вернее на желание весь расход выпустить из одного небольшого устройства, накладывает нормируемая скорость воздуха в рабочей зоне, которая должна быть, как мы уже говорили выше, превышать 0,2 м/с. Для обеспечения заданного расхода подбирается определенное количество воздухораспеределителей, так чтобы скорость воздуха в рабочей зоне была не выше номинальной.
Так как скорость потока падает по мере удаления от диффузора. Можно рассчитать скорость в рабочей зоне.
Важно также отметить, что при раздаче воздуха через потолочные диффузоры или решетки установленные в верхней части (Рис.7 а - настилающий эффект), необходимо поддерживать температуру приточного воздуха на градус меньше температуры помещения, иначе теплый воздух просто не опуститься в рабочую зону, а уйдет сразу в вытяжной диффузор.
Рис.8.
Вентиляция вытеснением основана на вытеснении загрязненного или отработанного воздуха свежим приточным.
Рис.9.
При этом способе вентиляции чистый воздух подают в нижнюю часть помещения через специальная низкоскоростные воздухораспределители и нагреваясь подымается вверх вытесняя отработанный воздух.
Этот способ вентиляции часто применяется в помещениях с выделениями вредностей т.к. при этом способе среднее время жизни воздуха в помещении минимально т.е. полная замена происходит быстрее, чем при вентиляции перемешиванием, при том же расходе приточного воздуха. Имеет смысл применять сей меетод и при кондиционировании высокого помещения (повыше 3 метров). в таком случае достаточно будет поддерживать заданную температуру только в рабочей зоне (до 1,8 м), а не во всем объеме, а этот приведет к ощутимой экономии энергии. Неудобство данного метода связанны с тем, что низкоскоростные воздухораспределители ( эжекции нет) достаточно большие и дорогие, занимают место в полезном объеме, а также надо учитывать, что в реальном помещении перемещаются люди, техника, могут возникать сквозняки, а это уже приводит к перемешиванию воздуха, т.е. чистого замещения все равно не достичь.
Остается добавить, что устройства воздухораспределения могут быть приточными и вытяжными т.к. на разные задачи и конструкция своя, хотя есть и универсальные распределители (допустим решетки они все универсальные.)
Приточный Диффузор
Вытяжной диффузор
Универсальный диффузор
Решетка настенная
Решетка потолочная
Существует также схема вентиляции без применения воздуховодов - бесканальная вентиляция.
Как правило это больше относиться к вытяжным системам, так вытяжную вентиляцию больших промышленных помещений, ангаров организуют на базе крышных вентиляторов, которые устанавливаются на кровлю и вытягивают воздух непосредственно из помещения под кровлей.
Вентиляторы, как приточные так и вытяжные могут быть установлены и в стенах или оконных проемах, единственное, что такие системы явно не относятся к системам способных поддерживать климатические параметры, они призваны не дать задохнуться.
Важнейшим элементом системы кондиционирования воздуха (вентиляции) является система автоматического регулирования
, от возможностей и качества автоматики напрямую зависит качество климата в помещениях и общая надежность системы в целом. Автоматическая система управления СКВ обеспечивает поддержание заданных климатических параметров, осуществляет защиту важнейших элементов системы, обеспечивает режим экономии энергии.
Рис.10.
Т3 - Канальный датчик температуры;
Т2 - Tермостат защиты от замерзания;
T1 - Датчик температуры обратной воды;
М2 - Привод регулирующего вентиля;
М1 - Привод воздушной заслонки;
P1, Р2 - Дифференциальное реле давления.
Структурная схемам управления центрального кондиционера
Рис.11. (нажмите на изображение, для получения увеличенной картинки)
Выше на рис. 11 представлена схема автоматики самой простой приточной установки с водяным подогревом и структурная схема центрального кондиционера, способного поддерживать влажность и температуру в любое время года. Алгоритмы управления, конечно отличаются, но можно выделить общие элементы. Любой блок управления включает в себя: блок управления, исполнительные механизмы, датчики контроля параметров, силовой электрический блок. Блок управления задает алгоритм работы всей установки управляя исполнительными механизмами, на основании обработанных данных от датчиков и заложенной программы.
Блок управления и заложенный в нем алгоритм - сердце автоматики, поэтому от его совершенства и зависят функциональные возможности системы. Контрольные датчики и исполнительные механизмы, а так же элементы силовой электрической части подбираются уже под функции, которые должен реализовать блок управления.
Простейшие блоки управления реализуются на базе электрических сборок и, может быть, отдельных аналоговых регуляторов, более сложные системы управления основаны на применение цифровых контролеров и способны реализовать любые алгоритмы управления. В каждом конкретном случае выбирается оптимальное техническое решение на основе принципа разумной достаточности. ибо любое усложнение системы управления неизбежно ведет к удорожанию системы, а любая необоснованная экономия приведет к снижению эффективности системы или преждевременному выходу из строя каких-либо элементов системы. В качестве примера можно привести два классических случая необоснованной экономии. Первый. Допустим в самой простейшей приточной установке с водяным калорифером для подогрева воздуха в системе автоматики не реализована защита от замораживания калорифера, возможно ситуация (и ох как часто), когда теплоноситель - вода, замерзнет в калорифере и лед его разорвет, а вот когда ледяная пробка растает и вода из подающей магистрали хлынет наружу, ущерб может превысить стоимость все системы вентиляции. Второй пример. Та же простейшая установка, только с электрическим подогревом, если не предусмотреть многоуровневую защиту от перегрева электрического калорифера возможен банальный пожар, о стоимости ущерба и говорить не приходиться. Еще один момент связан с качеством управления, от которого зависят эксплуатационные расходы. Более подробно автоматические системы управления системами вентиляции и кондиционироования рассмотрены в разделе "Автоматика СКВ" .
Энергосбережение - важно всегда помнить об эксплуатационных расходах.
Эксплуатационные расходы систем вентиляции и кондиционирования складываются из энергетических затрат на обработку воздуха и затрат на сервисное обслуживание или ремонт оборудования.
Первая составляющая - неизбежная, однако величина ее определяется уже на этапе проектирования или выбора системы и она может быть оптимизирована.
Вторая составляющая - выбором оборудования ( с точки зрения отказоустойчивости и ремонтопригодности), определяется качеством оборудования и его размещением ( с точки зрения доступа для обслуживания).
Основу эксплутационных расходов в основном составляют энергозатраты.
Когда определены уже все параметры климата и подобраны расходы наружного воздуха, влияние на величину энергозатрат оказывает схема построения СКВ и алгоритм управления.
Для уменьшения энергозатрат в современных системах вентиляции и кондиционирования воздуха применяют рекуперацию. Смысл рекуперации в том, что удаляемый безвозвратно воздух из помещения, обладающей температурой заданной в помещении, обменивается энергией с поступающим наружным воздухом, параметры, которого, как правило значительно отличаются от заданных. Т.е. зимой удаляемый теплый вытяжной воздух частично нагревает наружный приточный воздух, а летом более холодный вытяжной воздух частично охлаждает приточный воздух. В лучшем случае на рекуперация можно уменьшить на энергозатраты на обработку приточного воздуха на 80 %! Технически рекуперация в приточно-вытяжной вентиляции осуществляется применением перекрёстноточных, вращающихся теплоутилизаторов и систем с промежуточным теплоносителем.
А) Перекрестноточные или пластинчатые рекуператоры состоят из пластин (алюминиевых), представляющих систему каналов для протекания двух потоков воздуха. Стенки каналов являются общими для приточного и вытяжного воздуха и легко передают. Благодаря большой площади поверхности обмена и турбулентному течению воздуха в каналах добиваются высокой степени теплоутилизации (теплопередачи) при относительно низком гидравлическом сопротивлении. Эффективность пластинчатых рекуператоров доходит до 70%.
Утилизируется только явное тепло вытяжного воздуха т.к. приточный и вытяжной воздух некоим образом не смешиваются, а конденсат образующий при охлаждении вытяжного воздуха задерживается сепаратором и отводиться дренажной системой из сливного поддона. Для предотвращения замерзания конденсата при низких температурах ( минус 10-15), автоматика обеспечивает периодическую остановку приточного вентилятора или отвод части наружного воздуха в обводной канал в обход каналов рекуператора. Единственное ограничение в применении данного метода состоит в обязательном пересечении приточной и вытяжной ветки в одном месте.
Рис.12.
Роторный теплоутилизатор (вращающийся теплообменник) - представляет собой ротор с каналами для горизонтального прохода воздуха. Часть ротора находится в вытяжном канале. А часть в приточном, вращаясь ротор получает тепло вытяжного воздуха и передает его приточному, причем передается как явное, так и скрытое тепло, а также влажность. Эффективность теплоутилизации максимальна и достигает 80 %. Ограничение на применение данного метода накладывает прежде всего то, что до 10 % вытяжного воздуха смешивается с приточным, а в ряде случаев это недопустимо или нежелательно. Требования к конструкции аналогичны предыдущему варианту - вытяжная и приточная машина находится в одном месте. Этот способ дороже первого и реже находит применение.
Системы рекуперации с промежуточным теплоносителем - представляют собой пару теплообменников соединенных замкнутым трубопроводом. Один теплообменник находится в вытяжном канале, а другой в приточном. По замкнутому контуру циркулирует незамерзающая гликолевая смесь, перенося тепло от одного теплообменника до другого, причем в этом случае расстояние от приточной установки до вытяжной может весьма значительным.
Рис.13.
Эффективность теплоутилизации при таком методе не превышает 60 %. Стоимость сравнительна велика, однако в некоторых случаях это может быть единственным вариантом теплоутилизации.
В целом системы с рекуперацией стоят на 40-60 % дороже аналогичных систем без рекуперации, однако затраты на эксплуатацию при этом будут отличаться в разы! Даже при сегодняшних, явно заниженных, ценах на энергоносители время окупаемости системы рекуперации не превышает двух отопительных сезонов.
В начале отмечалось, что на энергосбережение влияет алгоритмы управления. Дело в том, что все системы кондиционирования и вентиляции рассчитываются на некоторые усредненные условия. Например, расход наружного воздуха определяли на одно количество людей, а реально в помещении может находиться менее 20 % от принятого значения, конечно в таком случае расчетный расход наружного воздуха будет явно избыточным, работа вентиляции в избыточном режиме приведет к необоснованной потере энергоресурсов. Логично в таком случае рассмотреть несколько режимов эксплуатации - Зимний и летний, переходный, дневной и ночной. Если автоматика способна установить подобные режимы - налицо экономия. Еще одни подход связан с регулированием расхода наружного воздуха в зависимости от качества газовой среды внутри помещения, т.е. система автоматики включает в себя газоанализаторы на вредные газы и подбирает значение расхода наружного воздуха таким образом, чтобы содержание вредных газов не превышало предельно-допустимых значений.
Конечно усложнение системы автоматики приводит к удорожанию системы в целом, но эти удорожание окупится и чем мощнее система или чем дороже энергоноситель - тем быстрее.
|
