Принципы регулирования вентиляции

P. Shelquist, менеджер производства;

R. Amborn, главный специалист по маркетингу, компания Trane Tracer Summit, США

Регулирование систем вентиляции с переменным расходом воздуха (VAV) базируется на трех главных принципах:

- Обеспечение требуемого воздухообмена во всех помещениях здания во всем диапазоне нагрузок. В основе этого требования лежат субъективные ощущения комфорта людей и стандарты качества внутреннего воздуха, например, стандарт [1] или другие аналогичные документы.

- Сокращение расхода энергии. Необходимо, чтобы регулирование системы обеспечивало минимальные энергозатраты, величина которых связана прежде всего с расходом кондиционируемого наружного воздуха. Важно, чтобы расход наружного воздуха не превышал необходимой нормы.

- Доступность и надежность технических средств и программного обеспечения, необходимая конфигурация схемы системы вентиляции. Система регулирования должна безотказно работать длительное время, быть удобна в эксплуатации.

Обеспечение требуемого воздухообмена

Расход приточного воздуха для систем с переменным расходом воздуха определяется в зависимости от текущей тепловой нагрузки помещения. Следует иметь в виду, что в проект обычно закладывается постоянное максимальное значение воздухообмена, без учета изменения тепловой нагрузки. Проблема состоит в том, чтобы обеспечить необходимый воздухообмен во всем диапазоне нагрузок без перерасхода энергии. Таким образом, именно принципы регулирования системы вентиляции оказывают существенное влияние как на воздухообмен, так и на энергопотребление. Здесь приводится анализ производительности воздухораспределения системы-VAV при различных способах регулирования для конкретного примера переменной тепловой нагрузки. В результате анализа определяется оптимальный принцип регулирования, надежно обеспечивающий требуемый (но не максимальный) воздухообмен.

Рассмотрим простую систему вентиляции с переменным расходом воздухом (рис. 1). Каждый воздухораспределитель-VAV подобран из условий подачи максимального расхода приточного воздуха, 472 л/с, что соответствует проектной тепловой нагрузке. Нормы расхода наружного воздуха для каждого помещения определяются в соответствии с его размером, типом и назначением и составляют по 94 л/с для двух помещений и 142 л/с для третьего. Суммарный расход наружного воздуха – 330 л/с составляет 23% от расхода приточного воздуха 1 416 л/с. Для обеспечения потребности помещения с максимальной нагрузкой необходимая доля наружного воздуха составляет 30%.

Доля наружного воздуха в приточном одинакова для всех помещений – это означает, что два первых помещения получают больше наружного воздуха, чем необходимо. Избыточное количество наружного воздуха попадает в рециркуляционный поток. В данном случае 23% – усредненное (нескорректированное) соотношение наружного и приточного воздуха.

Стандарт [1] содержит нормативный метод расчета вентиляции нескольких помещений, обслуживаемых общей системой с переменным расходом. В стандарте учитываются типы помещений и эффективность распределения воздуха между помещениями, приводится формула для расчета потребности в наружном воздухе для каждого конкретного режима:

Y=X/[1+X-Z], (1)

где:

Z – доля наружного воздуха в приточном воздухе для «критической» зоны, т. е. зоны с наибольшей потребностью в вентиляции (иногда эту величину называют Z-фактор);

X – усредненное значение наружного воздуха в приточном, т. е. сумма минимально необходимого расхода наружного воздуха для всех помещений, отнесенная к общему воздухообмену;

Y – расчетная доля наружного воздуха в общем воздухообмене. Эта величина меньше Z, т. к. подразумевается использование «избыточного» количества наружного воздуха, содержащееся в рециркуляционном воздухе из помещений с меньшей потребностью в вентиляции.

Рисунок 1. Типовая система-VAV в расчетных условиях

Покажем, как использовать формулу (1) для системы на рис. 1.

Рассчитаем расход наружного воздуха для каждого помещения, при этом максимальное значение принимается как критическое (Z-фактор).

Для рассматриваемого примера:

Z=142/472 л/с=0,3;

X=(94+94+142)/1416 л/с=330/1416 л/с=0,23.

Тогда Y=X/[1+X-Z]=0,23/[1+0,23-0,3]=0,23/0,93=0,25.

Это означает, что для рассматриваемого режима 25% приточного воздуха (ПВ) составляет наружный воздух (НВ). Далее определяем, что 25% от 1 416 л/с составляет 354 л/с наружного воздуха – это необходимый объем наружного воздуха для вентиляции помещений в расчетном режиме.

Пример расчета системы на различную нагрузку, приведенный в табл. 1 и 2, послужит основой для нашей оценки различных принципов регулирования вентиляции с позиции энергосбережения.

С левой стороны приведены значения тепловых нагрузок – максимальная (расчетная) и два варианта частичной. Доля наружного воздуха в приточном определена для каждого помещения как частное от деления величины расхода наружного воздуха на величину расхода приточного воздуха. Наконец, используя понятие «критической» зоны, по формуле (1) определены значения содержания наружного воздуха в системе согласно [1] для всех уровней тепловой нагрузки:

® 25% (354 л/с) при расчетной нагрузке;

® 34% (340 л/с) при частичной нагрузке 1 уровня;

® 67% (440 л/с) при частичной нагрузке 2 уровня.

Таблица 1 (подробнее) Расход наружного воздуха при различных тепловых нагрузках

Таблица 2 (подробнее) Сравнение принципов регулирования вентиляции

Обеспечение минимума наружного воздуха

Сравним требования к подаче наружного воздуха согласно стандарту [1] с широко распространенной схемой регулирования по принципу фиксации клапанов воздухозаборных устройств на минимальную долю наружного воздуха (табл. 1). В данном случае суммарная потребность наружного воздуха в системе в расчетном режиме составляет 330 л/с, или 23%. Однако эта величина меньше минимального значения, определенного стандартом. По мере снижения тепловой нагрузки помещения доля наружного воздуха в приточном воздухе при этом способе регулирования еще сильнее отличается от требований стандарта.

Такой способ контроля подачи наружного воздуха в системе не отвечает приведенному стандарту и поэтому неприемлем для любых систем вентиляции, обслуживающих несколько помещений, в том числе и для систем-VAV. Здесь он приводится как пример неудачного решения.

Фиксация клапанов на максимальную долю наружного воздуха

Возможен вариант такой фиксации клапанов воздухозаборных устройств, которая обеспечит требования стандарта. Это достигается путем фиксации воздухозаборных клапанов в положении, соответствующем максимально возможному содержанию наружного воздуха. В рассматриваемом примере 67% наружного воздуха соответствует частичной тепловой нагрузке 2 уровня. Такое содержание наружного воздуха в приточном во всех случаях удовлетворяет требованиям стандарта, обеспечивая вентиляцию всех зон при любых нагрузках. Однако, как показано в табл. 1, при прочих уровнях тепловой нагрузки подача наружного воздуха является избыточной, что приводит к перерасходу энергии и соответствующих эксплуатационных затрат.

Максимум наружного воздуха при регулировании воздухозабора

Приведенный выше результат может быть улучшен путем введения возможности измерения расхода наружного воздуха. Максимум наружного воздуха при регулировании воздухозабора означает такой принцип регулирования, который не сводится к простой фиксации клапанов. Расходомерное устройство контролирует объем наружного воздуха (440 л/с) для данного примера. Когда общий воздухообмен в системе изменяется, независимый от давления контур регулирования воздействует на клапан таким образом, чтобы расход наружного воздуха оставался равным 440 л/с. Это позволяет обеспечивать требования данного стандарта по наружному воздуху для всех вариантов нагрузок, при этом избыточная вентиляция уменьшается по сравнению с предыдущим случаем.

Хотя такой принцип регулирования значительно уменьшает поступление в систему наружного воздуха, в определенные периоды (в данном примере это расчетный и частичная нагрузка 1 уровня) подача наружного воздуха все же превышает необходимую: например, 440 л/с вместо 354 л/с в расчетном режиме. Отсюда следует, что потенциальная возможность улучшения системы регулирования состоит в динамическом контроле и изменении объема приточного воздуха, исходя из текущих (а не наихудших) условий.

Принцип контроля и настройки расхода наружного воздуха

Использование возможностей цифровой системы прямого регулирования (системы-DDC) позволяет обеспечить требования стандарта [1] путем динамического подбора расхода наружного воздуха на основе текущих требований для каждой зоны. Первым шагом является определение для каждого воздухораспределителя системы-VAV содержания наружного воздуха путем деления санитарной нормы для данной зоны на общий расход воздуха в системе. Контроллер приточной камеры определяет общий расход воздуха и «критическое» помещение по данным всех воздухораспределителей системы-VAV. Используя «критическое» значение доли наружного воздуха, контроллер может определить соответствующее количество наружного воздуха для всей системы и отрегулировать наружный воздухозабор.

Такой способ, называемый «подбор расхода наружного воздуха» или «настройка воздухозабора», обеспечивает наиболее точное регулирование системы вентиляции. При использовании настройки воздухозабора в здание поступает только требуемое для данного теплового режима количество наружного воздуха.

Обратимся к табл. 1 для оценки этого принципа регулирования. Крайний правый столбец содержит данные для этого варианта. Сравним их с данными первого столбца, содержащего нормативные требования. Как видим, при динамическом расчете вентиляции в каждое помещение поступает именно требуемое количество наружного воздуха, без избытков. Таким образом, мы получили систему-VAV, обеспечивающую нормативные требования к вентиляции без излишних затрат.

Результаты сравнения

Принципы регулирования систем вентиляции оценивались с позиции обеспечения нормативных требований и минимума затрат. Показано соответствие этим критериям системы регулирования с настройкой воздухозабора. Однако проектировщик должен принимать во внимание также размеры воздухораспределителей системы-VAV, наличие технических (компьютерных) средств и программного обеспечения, необходимого для реализации этого способа, а также надежность и эксплуатационные возможности системы регулирования.

Оборудование и программное обеспечение, входящее в типовую систему DDC/VAV, обеспечивают сбор данных, необходимых для настройки воздухозабора. Воздухораспределители системы-VAV и контроллеры приточной камеры выполняют мониторинг и/или контроль параметров, необходимых для расчетов по формуле (1). АСУ здания использует эту информацию для расчета расхода наружного воздуха в режиме реального времени.

Один компонент обычно не входит в комплектацию системы-DDC/VAV: это средства для измерения и контроля расхода наружного воздуха, поступающего в систему. При отсутствии таких средств система лишь регулирует положение клапанов воздухозаборных устройств. Но при колебаниях перепада давлений в сечении воздухозаборного отверстия расход наружного воздуха также меняется. Добавление средств измерения воздухозабора позволяет осуществлять настоящий контроль расхода наружного воздуха, а не только установку клапанов. Для рассмотренных условий применения (не требующих специальных средств регулирования) многие фирмы-производители систем ОВК с автоматикой поставляют экономически эффективные системы вентиляции с независимым от давления регулированием расхода наружного воздуха. Компоновка такой системы показана на рис. 2.

Рисунок 2. Структура системы регулирования по принципу настройки воздухозабора

Применение системы-DDC/VAV, ориентированных на расчеты по формуле (1), требует корректного подбора вентиляционного оборудования с учетом реальных условий в помещении. Так, если размер воздухораспределителей системы-VAV существенно завышен, полный расход приточного воздуха для некоторых помещений может оказаться равен расходу наружного воздуха, а расчеты для других зон при этом могут дать очевидно нереальную величину более 100% наружного воздуха.

Даже при корректном подборе оборудования, программного обеспечения и средств шумоглушения эффективная работа системы зависит от надежности регулирования и способности эксплуатационного персонала разобраться в схеме регулирования и обеспечить ее долговременное использование. К счастью, у проектировщиков есть возможность выбора поставщиков оборудования, готовых решить все практические задачи.

Выводы

Энергетическая эффективность и комфорт, достигаемые при использовании систем вентиляции с переменным расходом воздуха, привели в настоящее время к широкому распространению этих систем в различных типах зданий. Первоначально системы-VAV предназначались для офисов, однако превосходные показатели комфорта и возможность осушения воздуха продвинули эти системы в нетрадиционные области применения: школы, торговые и гостиничные здания.

Возможность систем-VAV обеспечить требования стандарта [1] ранее подвергалась сомнению. Опыт практического применения показал, что это вполне возможно. Как видно из табл. 2, три из четырех рассмотренных способов регулирования систем-VAV обеспечивают нормативные требования.

Эта статья показывает владельцам здания, что они имеют полную возможность получить эффективную вентиляцию без излишних затрат. С использованием принципа настройки воздухозабора проектировщики могут разработать систему-DDC регулирования, которая отвечает требованиям cтандарта при оптимальном расходовании энергии.

Литература

1. ASHRAE 62–1999. «Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality».

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.

Перевод с английского О. П. Булычевой.