Бесканальные системы вентиляции с переменным расходом воздуха

Системы, расположенные под полом, и потолочные системы

J.M. Halza, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Два типа бесканальных систем

Бесканальные VAV-системы подразделяются на два основных вида: системы, прокладываемые под полом, и потолочные системы. В обоих типах система отводных каналов заменяется широкими воздуховодами, поэтому мы будем говорить о них как о воздуховодных системах. (Однако для доставки воздуха к воздуховодам по-прежнему необходима основная канальная система.)

Обе системы работают при низком статическом давлении, благодаря чему уменьшаются утечки воздуха и экономится энергия.

В настоящее время хорошо зарекомендовали себя располагающиеся под полом воздуховодные системы со статическим давлением 12,5 Па. Такое же давление используется сейчас и в новых потолочных воздуховодных системах.

Система, расположенная под полом

Воздуховодная система под полом используется совместно с фальшполом (рис. 1). Пространство под полом используется в качестве приточного воздуховода (в нем также прокладываются силовые, информационные и телекоммуникационные кабели). Диффузоры нагнетают кондиционированный воздух на уровне пола в обслуживаемую зону – пространство, располагающееся над полом по высоте от 102 мм до 1,7 м*.

Рисунок 1. Вид сбоку на воздуховодную систему, расположенную под полом

После принудительного смешивания воздух «отбирает» из пространства тепло и загрязняющие вещества. Под действием естественной конвекции теплый загрязненный воздух поднимается к потолку, где он по потолочной полости возвращается к устройству обработки воздуха.

Первые поколения систем, расположенных под полом, работали с постоянным расходом воздуха и менее эффективно использовали энергию, чем канальные VAV-системы.

Системы, расположенные под полом, второго поколения являются VAV-системами.

Рисунок 2. Распределение скоростей, поддерживаемое VAV-диффузорами, расположенными под полом

В идеальной воздуховодной системе под полом диффузоры не просто изменяют расход воздуха. Они также поддерживают постоянную скорость при любых нагрузках и расходах воздуха (рис. 2). Это предотвращает уплотнение слоя холодного воздуха, которое ухудшает характеристики некоторых систем, расположенных под полом, благодаря чему находящиеся в помещении люди жалуются на «холодные ноги». Такое уплотнение вызывается неспособностью системы поддерживать достаточную скорость потока воздуха для обеспечения его должного перемешивания. Неверная скорость подачи воздуха ведет также к излишней температурной стратификации. Находящиеся в помещении люди могут испытывать дискомфорт из-за холода на уровне ног и одновременно из-за жары вокруг головы. Диффузоры, способные поддерживать должный профиль скорости, позволяют избежать этих проблем.

 

* В соответствии со стандартом ANSI/ASHRAE 55-1992 «Тепловые параметры окружающей среды в помещениях, занятых людьми».

Воздуховодная система, расположенная под полом, помогла сохранить потолок исторического паровозного депо постройки 1914 года в Канзасе

отолочные системы

Новейшие разработки потолочных воздуховодных VAV-систем обладают такими же преимуществами, что и системы, расположенные под полом.

В потолочных системах используется двухуровневый потолок (рис. 3). Нижний уровень, расположенный между декоративным и средним потолком, служит в качестве воздуховода приточного воздуха. Верхний уровень, расположенный между средним потолком и верхней плитой, служит в качестве воздуховода удаляемого воздуха. Воздух нагнетается в занимаемое пространство специальными VAV-диффузорами. Решетки удаляемого воздуха (которые могут быть составной частью приточных диффузоров) выводят воздух сквозь приточный воздуховод в воздуховод удаляемого воздуха.

Рисунок 3. Вид сбоку на потолочную воздуховодную систему

Для декоративного потолка используются обычные материалы, такие же, как и на любом потолке современного коммерческого здания. Средний потолок установлен таким же образом, как и обычный прокладочный звукоизоляционный потолочный слой, но он выполнен из других материалов. Плитка среднего потолка выбирается таким образом, чтобы обеспечивались воздухонепроницаемость, хорошие звуко- и теплоизоляционные характеристики и умеренные затраты. Для обеспечения эффективности системы обе решетки уплотнены.

Для обеспечения наилучшего комфорта может быть дополнительно отрегулирована схема распределения воздушных потоков, выходящих из воздухораспределительных устройств (слева)

В потолочных воздуховодных системах используются диффузоры и устройства регулирования, осуществляющие работу в режиме VAV. В приточном воздуховоде используется низкое статическое давление (12,5 Па), благодаря чему снижается потребление энергии и уменьшаются утечки воздуха, но не обеспечивается нормальная работа при традиционном регулировании расхода (например, при таком давлении не может поддерживаться необходимая скорость воздушного потока). Поэтому был разработан новый подход, который позволил использовать преимущества системы воздуховодов в реализации потолочного распределения воздуха.

Вместо количественного регулирования используется «временное». Когда диффузор открыт, он поставляет воздух с максимальным расходом при необходимой скорости. Когда он закрыт, поток воздуха полностью перекрывается. При 100-процентной нагрузке диффузор открыт все время. При 50-процентной нагрузке каждый диффузор находится в открытом состоянии только 50 % времени, обеспечивая 50-процентное охлаждение. Переключение с открытого на закрытое состояние и наоборот производится через короткие промежутки времени порядка шести секунд, и люди, находящиеся в помещении, не подозревают об изменениях расхода. При изменении нагрузки в зоне система регулирования рассчитывает время и последовательность работы каждого диффузора. Таким образом, обеспечивается работа в режиме VAV при поддержке распределения воздуха с должной скоростью.

Преимущества систем, расположенных под полом, и потолочных систем по сравнению с канальными системами

Воздуховодные системы, расположенные под полом, и потолочные системы имеют множество преимуществ по сравнению с канальными системами:

– Гибкость

Для канальных систем необходимо тщательное проектирование. Необходимо, по возможности, при установке выдерживать сравнительно прямые линии с учетом всех элементов строительных конструкций и архитектурно-эстетических требований. Изменения планировки пола во время строительства могут повлиять на компоновку канальной системы и вызвать дополнительные расходы при ее установке. После установки канальной системы в ней очень трудно производить какие-либо изменения. При перепланировке офисных помещений или изменении схемы использования людьми этих помещений могут ухудшиться условия комфорта и повыситься затраты энергии.

В воздуховодных системах диффузоры могут располагаться где угодно, на полу или на потолке, благодаря чему упрощается схема распределения воздуха и компоновка соответствующих устройств.

Рисунок 4. (подробнее) Воздуховодные системы обеспечивают более быстрое и удобное распределение воздуха

На рис. 4 представлен вид сверху на расположение элементов двух потолочных VAV-систем. Слева представлена канальная система, справа – воздуховодная.

Проектирование воздуховодной системы производится легче и быстрее. Если на крыше здания располагаются агрегаты ОВК, воздуховодная система обеспечивает также большую гибкость при размещении отдельных модулей, т. к. отсутствуют ограничения, связанные с прокладкой каналов. Количество и размер крышных систем могут варьироваться без внесения значительных изменений в чертежи и общий проект.

Вообще, воздуховодные системы могут без значительных затрат легко изменяться в любое время в процессе установки. После ввода в эксплуатацию система также может адаптироваться для лучшего обеспечения комфортных условий и большей эффективности потребления энергии. Диффузоры, проводная разводка, соответствующая параметрам воздуховодов, термостаты могут при необходимости перемещаться также без затруднений и больших затрат.

– Меньшее потребление энергии

Воздуховодные системы потребляют меньшее количество энергии по сравнению с канальными.

Для канальных систем обычно требуется, чтобы в отводных каналах обеспечивалось статическое давление не менее 373 Па.

В качестве сравнения можно указать, что для распределения воздуха в помещениях статическое давление в обеих воздуховодных системах должно составлять только 12,5 Па. Благодаря этому, потребление энергии приточными вентиляторами сокращается на 30 %.

В системах, расположенных под полом, экономия энергии обеспечивается также из-за снижения расхода воздуха. Это достигается несколькими способами. В первом способе используется температурная стратификация. В должным образом спроектированной системе с распределением воздуха под полом кондиционированный воздух подается только в обслуживаемую зону. Над этой зоной температура (расчетная) выше, в отличие от потолочной системы с хорошим перемешиванием воздуха, в которой температура от пола до потолка поддерживается в довольно узком диапазоне. Таким образом, уменьшается объем кондиционируемого пространства, поэтому уменьшается и расход кондиционированного воздуха.

Расход воздуха может быть также уменьшен из-за особенностей расхода холода у стен здания. В идеальном случае в периферийной зоне системы под полом теплый воздух не распространяется в обслуживаемую зону, а поднимается вдоль стен здания непосредственно в стратифицированную зону. Так как приточному воздуху нет необходимости охлаждать этот воздух, его расход может быть снижен. Степень этого понижения зависит от геометрии устройства подачи и конструкции стен.

В системе, расположенной под полом, может быть также уменьшено потребление энергии для машинного охлаждения. Поскольку эта система подает воздух с температурой от 15,6 до 18,3 °С (в отличие от потолочной системы, обычно подающей воздух с температурой 12,8 °С), в сезон охлаждения может дольше применяться естественное охлаждение наружным воздухом. Сокращение длительности машинного охлаждения за год, в зависимости от климата, может достигать 30 %.

– Предотвращение образования плесени

В связи с распространением информации о том, что канальная система приточного воздуха может способствовать образованию и распространению плесени, владельцы зданий стараются предотвратить условия ее распространения.

Росту плесневых образований в каналах приточного воздуха способствует наличие пыли, содержащей питательные вещества, и относительная влажность воздуха, равная 90 % и выше.

Усовершенствованная фильтрация и наличие доступа в каналы для их очистки позволяют снизить содержание пыли, но за счет повышения потребления энергии и капитальных затрат.

Менее дорогим решением является поддержание относительной влажности приточного воздуха ниже 80 %, что позволяет значительно понизить содержание влаги в воздухе и снизить вероятность образования плесени.

Воздуховодная система, расположенная под полом, позволяет довольно легко выполнить эти требования.

Как уже указывалось ранее, такая система предназначена для подачи в помещение приточного воздуха при температуре от 15,6 до 18,3 °С, в отличие от потолочной системы, подающей воздух с температурой 12,8 °С.

Эта более высокая температура приточного воздуха играет решающую роль в понижении относительной влажности. Когда удаляемый воздух из помещения попадает в устройство для обработки воздуха, он разделяется на два потока. Один поток смешивается со свежим воздухом, протекает через фильтры и охлаждающий змеевик и выходит из змеевика, имея температуру 12,8 °С и относительную влажность 90%. Другой поток проходит через отдельные фильтры и обходит змеевик, поэтому он может иметь температуру 29,4 °С и относительную влажность 50%. За змеевиком оба потока смешиваются, в результате чего образуется достаточно теплый воздух, чтобы он мог подаваться в помещение из-под пола, и достаточно сухой – для предотвращения образования плесени, даже при высокой влажности наружного воздуха.

Потолочные воздуховодные системы также могут быть спроектированы для предотвращения образования плесени. Такие системы обычно подают близкий к насыщению воздух, имеющий температуру 12,8 °С, непосредственно из охлаждающего змеевика, так же, как и канальные системы.

Для снижения относительной влажности приточного воздуха конструкция воздуховодной системы должна быть модифицирована. Это достигается размещением рециркуляционных вентиляторов между воздуховодами приточного и удаляемого воздуха. Эти вентиляторы отводят некоторое количество удаляемого воздуха в приточный. Благодаря этому, повышается температура и понижается относительная влажность приточного воздуха. Ту же функцию может выполнять тепло от осветительных приборов.

– Уменьшение строительных расходов из-за понижения общей высоты здания

Для типичной потолочной канальной системы необходимо расстояние от 0,9 до 1,2 м от потолка до верхней плиты перекрытия.

Фальшпол воздуховодной системы добавляет к расстоянию от нижней до верхней плиты около 0,3 м, но отсутствие системы отводных каналов уменьшает высоту пространства над потолком на 0,6 м.

В результате получается уменьшение расстояния от нижней до верхней плиты на 0,3 м. Применение потолочной воздуховодной системы может еще больше уменьшить это расстояние, т. к. каждый воздуховод действует как очень широкий и низкий канал. В этом случае уменьшение указанного расстояния может достигать величины 0,6 м. В любом случае обеспечивается значительная экономия затрат.

Двухуровневый потолок для потолочной системы

Дополнительные преимущества системы, расположенной под полом, по сравнению с потолочной канальной системой

Наряду с описанными выше общими преимуществами, воздуховодная система, расположенная под полом, имеет ряд дополнительных преимуществ по сравнению с потолочной канальной системой.

– Повышение качества воздуха

Любая потолочная система со смешиванием воздуха обеспечивает качество воздуха при помощи его разбавления: свежий воздух смешивается с загрязненным воздухом в помещении, и часть этой смеси выводится наружу.

Так как свежий воздух только разбавляет загрязненный воздух, не обеспечивается достаточное качество воздуха, в результате чего эффективность вентиляции невысока (EV лежит обычно в диапазоне 0,8–0,9).

Вытяжной воздух имеет такой же уровень загрязнения, что и комнатный воздух. Таким образом, уровень загрязнения в обслуживаемой зоне гораздо ближе к уровню вытяжного воздуха, чем приточного.

Воздуховодные системы, расположенные под полом, подают свежий воздух непосредственно в зону дыхания находящихся в здании людей. Тепло, загрязняющие вещества и застоявшийся воздух поднимаются к потолку, где они удаляются. Свежий воздух больше заменяет старый воздух, чем разбавляет его. Этот процесс описывается термином «вентиляция, улучшенная конвекцией». В результате этого повышается эффективность вентиляции, что, в свою очередь, приводит к повышению качества воздуха.

– Снижение затрат за весь срок службы

В среднем, капитальные затраты для оборудования здания с установкой фальшполов, размещаемыми под полом системами ОВК, проводкой под полом силовых, информационных и телекоммуникационных кабелей приблизительно равны затратам на оборудование потолочных канальных систем ОВК и проводку кабелей через сквозные отверстия.

Стоимость двух систем ОВК одинакова, а дополнительные затраты на установку фальшполов компенсируются снижением строительных затрат из-за меньшей высоты здания и меньшей стоимости прокладки кабелей.

Небольшие различия затрат могут быть отнесены к различным расходам на оплату труда, стоимости фасадных материалов и геометрии здания. Однако воздуховодные системы, расположенные под полом, могут обеспечить значительную экономию затрат в течение всего срока службы оборудования, и такая экономия ощущается каждый год эксплуатации здания.

Использование воздуховодных систем, расположенных под полом, улучшает экономические показатели. Общая экономия эксплуатационных затрат включает в себя снижение затрат на обеспечение условий для рабочих станций, снижение потребления энергии системами ОВК и ускорение амортизационных отчислений (для фальшпола, системы ОВК под полом, компонентов кабельного оборудования срок амортизации может быть установлен в 6 лет вместо 39). В экономию затрат может быть также включена повышенная работоспособность служащих офисов, связанная с улучшенным качеством воздуха.

Рисунок 5. Вентиляция, улучшенная конвекцией, повышает качество воздуха в обслуживаемой зоне

Дополнительные преимущества потолочных воздуховодных систем по сравнению с потолочными канальными системами

Так же, как и воздуховодные системы, расположенные под полом, потолочная воздуховодная система имеет ряд преимуществ по сравнению с потолочной канальной системой.

– Лучший комфорт

С потолочной канальной VAV-системой всегда связаны проблемы, которые могут ухудшить комфорт, т. к. в ней используется регулирование расхода воздуха.

Диффузоры такой системы предназначены для подачи воздуха с большой скоростью при расчетном расходе. Высокая скорость подачи необходима для хорошего перемешивания воздуха в помещении.

Основные проблемы возникают при пониженных нагрузках, когда уменьшаются расход и скорость подачи. При этих условиях дальнобойность диффузоров с фиксированной площадью выходного отверстия уменьшается, и воздух в зонах между диффузорами застаивается.

Потолочные воздуховодные системы предотвращают эти проблемы, т. к. вместо количественного регулирования в них используется временное, которое было описано выше. При таком способе регулирования гарантируется, что диффузор распределяет воздух при 100 % расхода и дальнобойности. При этом застаивания воздуха в помещении не наблюдается.

– Меньшие капитальные затраты

Канальная система может вносить значительный вклад в общую стоимость потолочной системы. В этом смысле воздуховодные потолочные системы представляют привлекательную альтернативу. Так, в США стоимость материалов и работы в каналах потолочной системы обычно составляет 32,3 доллара на м² и более. Наряду с затратами на установку системы каналов, требуются расходы на воздухораспределители VAV, устройства регулирования и диффузоры.

В противоположность этому, та часть потолочной воздуховодной системы, которая заменяет систему каналов, обычно стоит 21,53 доллара на м². К этим затратам нужно добавить стоимость воздуховодных диффузоров и устройств регулирования, сравнимую со стоимостью воздухораспределителей VAV, устройств регулирования и диффузоров канальной системы.

Установка потолочных воздуховодов осуществляется легче, чем установка каналов, и не намного сложнее установки обычных подвесных потолков, даже несмотря на наличие двух уровней.

Заключение

По сравнению с потолочными канальными системами, воздуховодные системы, расположенные под полом, и потолочные воздуховодные системы отличаются более простой конструкцией, меньшим потреблением энергии, меньшим уровнем развития плесени и меньшей стоимостью конструкций здания.

Системы, расположенные под полом, имеют дополнительные преимущества, выражающиеся в повышенном качестве воздуха и меньших затратах за весь срок службы оборудования, а потолочные системы обеспечивают лучший комфорт и меньшие капитальные затраты.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено С. Н. Хоревым, главным инженером проекта по специальности отопление и вентиляция.