Персональная вентиляция: комфорт и энергосбережение

J. Dieckmann, член ASHRAE, otvet@abok.ru.

A. Cooperman,

J. Brodrick, член ASHRAE

Использование персональной вентиляции в зданиях основано на том факте, что подобные системы более эффективны, так как потребляют меньше энергии и требуют меньшего объема приточного воздуха, по сравнению с  традиционными.

Возможность подачи приточного воздуха каждому сотруднику, а также возможность регулирования его температуры являются одной из причин того, что люди, пользующиеся ПВ, довольны условиями работы и не испытывают дискомфорта на рабочем месте.

Еще одним примером персональной вентиляции являются персональные охлаждающие жилеты, которые носят под защитной одеждой военнослужащие, пожарные, гонщики. Теплоизоляционные свойства защитной одежды создают значительный перегрев. Обеспечение общего охлаждения пространства в такой среде дорого, непрактично или невозможно.

Устройство системы персональной вентиляции

Персональные системы вентиляции состоят из модулей, установленных на рабочих столах или имеющих потолочное крепление, которые подают приточный воздух в зону дыхания сотрудников.

На рисунке 1 показан вариант подобной системы, которая стала предметом исследования. Система обеспечивает подачу приточного воздуха в зону дыхания, смешивает его по минимуму с воздухом помещения (в котором накапливается определенное количество СО₂ и других вредностей).

Рисунок 1. Система персональной вентиляции: 1 – распределительный диффузор; 2 – канал подачи воздуха персональной вентиляции; 3 – панель управления

Система состоит из двух установленных на рабочем столе диффузоров с возможностью их вращения на 360° по вертикали и регулировки по горизонтали ±30°. Диффузоры устанавливаются в задних углах стола. В состав системы входит датчик присутствия людей в помещении и индивидуальный вентилятор, источник питания и воздуховод. Система способна подавать от 34,2 до 255,6 м³/ч воздуха.

У второй тестируемой системы два вентилятора с регулируемой частотой вращения, устанавливаемых под рабочим столом и обеспечивающих подачу персонального воздуха. Вращение вентиляторов может происходить со смещением по горизонтали ±30°.

Другие конфигурации систем ПВ включают в себя терминалы подачи воздуха, устанавливаемые на рабочем столе, компьютере или потолке. Установки рабочего стола могут представлять собой монтируемые на них диффузоры или воздухораспределительные решетки. Установки потолочного крепления дают возможность свободного размещения мебели.

Если система ПВ будет обеспечивать относительно небольшие воздушные потоки в соответствии со стандартом ASHRAE 62.1 (±25,2 м³/ч на человека, в зависимости от вида деятельности в данном помещении), конвекционный поток от сотрудника будет оказывать значительное влияние на воздух, поступаемый в зону дыхания.

Температурная разница между сотрудником и помещением создает свободный конвекционный поток («тепловой купол»), который в зоне дыхания «вытягивает» воздух наверх. Система направляет чистый воздух в зону дыхания, где происходит его смешение с «тепловым куполом».

Эффективность системы ПВ зависит от конфигурации, интенсивности подачи воздушного потока, уровня общего взаимодействия воздушного потока с «тепловым куполом» и общего объема вентиляции помещения.

Показатель эффективности персонального воздействия (ЭПВ), процент содержания чистого персонального воздуха во вдыхаемом воздушном потоке определяют эффективность системы персональной вентиляции.

Исследования показали, что у системы ПВ, подающей приточный воздух через диффузор, расположенный напротив лица работника, ЭПВ примерно на 80 % выше, чем у системы, установленной под столом, которая существенно блокирует эффект конвективного потока, производимого нижней частью тела, при персональном воздушном потоке 21,6 м³/ч при температуре +20 или +26 °С.

Таким образом, устройства ПВ, подающие приточный воздух по нормам ASHRAE 62.1, обеспечивают более высокое качество вдыхаемого воздуха, чем традиционные радиально-осевые системы вентиляции. В качестве альтернативы, аналогичное качество вдыхаемого воздуха можно обеспечить ПВ с меньшей интенсивностью притока внешнего воздуха.

С помощью датчика присутствия людей подача воздуха может прекратиться, если сотрудника нет на месте.

Температурный комфорт

Тестирование потолочных установок, подающих поток воздуха вниз, в направлении головы работника, показало, что воздушный поток мощностью 57,6 м³/ч нейтрализует эффект теплового купола. При таком воздушном потоке наблюдался эффект охлаждения головы и лица, сравнимый со снижением комнатной температуры до +5,6 °C (при температуре приточного воздуха +21 °C). Меньший охлаждающий эффект был отмечен в нижней части тела и при более низком показателе приточного воздуха. Так как сотрудники перемещаются на своих рабочих местах по отношению к распределительному диффузору персонального воздуха, то происходит неравномерное охлаждение тела.

Охлаждающее воздействие достигается при достаточно высокой температуре подаваемого воздуха по сравнению с температурой +13…+16 °C, свойственной «классическим» системам кондиционирования воздуха.

Управление охраны труда и производственной санитарии США рекомендует, чтобы вентиляционные системы проектировались с учетом минимизации скорости движения воздуха, чтобы не возникал дискомфорт, сухость глаз и пр. Эти рекомендации также распространяются на ПВ, особенно с учетом того, что эти системы направляют воздух непосредственно на сотрудника.

Возможное появление неудобств от системы ПВ и различные личные предпочтения говорят в пользу введения функции контроля интенсивности потока воздуха в составе систем ПВ. В ходе экспериментального исследования установок ПВ, размещенных на рабочих столах, было выяснено, что 80 % пользователей ПВ изменяли настройки воздушного потока раз или несколько раз в день. Эти результаты говорят о том, что индивидуальный контроль воздушного потока действительно повышает уровень персонального комфорта.

Энергосберегающий потенциал

Исследование систем ПВ в значительной степени было посвящено сопоставлению их эффективности и энергосберегающего потенциала.

Ряд исследователей изучили потенциал энергосбережения с использованием систем ПВ при применении стратегии трехстороннего контроля:

снижение интенсивности потока воздуха в силу более высокой эффективности ПВ;

повышение максимально допустимой температуры внутреннего воздуха с учетом способности ПВ контролировать микроклимат;

подача приточного воздуха через систему ПВ только во время нахождения работника за рабочим столом.

В ходе исследований было обнаружено, что параметры энергосбережения зависят от конфигурации, режима использования системы и климата. Кроме того, применение ПВ может быть энергоэффективным при возможности роста температуры в помещении выше рекомендуемого предела +30 °С. Также эффективность системы зависит от количества времени, проводимого сотрудниками на рабочих местах.

Таким образом, существуют возможности энергосбережения с помощью применения систем ПВ, однако необходимо проводить дополнительные исследования с целью нахождения оптимального режима их работы.

Рынок

Системы ПВ существуют с 1980‑х годов. Широкого распространения они не получили из-за относительно высокой стоимости (одна установка может стоить до 2 тысяч долларов).

Кроме того, учитывая необходимость обеспечения подачи приточного воздуха каждой установке ПВ, стоимость монтажа также является высокой.

На фоне неясных перспектив в энергетике, высокой стоимости установки и возможного дискомфорта из-за высокой скорости движения воздуха, попадающего в глаза и лицо, эта технология по-прежнему требует широкой адаптации. В настоящее время продолжаются активные исследования данной концепции с целью ее дальнейшего совершенствования.

Литература

1. J. Dieckmann, A. Сooper, J. Brodrick. Personal Ventilation. ASHRAE Journal. 2010. Vol. 52, № 10.
2. ASHRAE 62.1. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Научное редактирование выполнено А. Л. Наумовым, вице-президентом НП «АВОК»

Комментарий научного редактора

Персональную вентиляцию, включая систему контроля параметров микроклимата на рабочем месте (ПВ), можно отнести к классу наиболее перспективных энергосберегающих систем кондиционирования микроклимата административных и офисных зданий.

Традиционные решения предполагают производительность систем вентиляции и кондиционирования воздуха исходя из расчетной заполняемости офисов персоналом, как правило, по числу постоянных рабочих мест. Нормативы устанавливают, опять же, как правило, оптимальные параметры микроклимата и подачу свежего наружного воздуха на постоянное рабочее место – 60 м³/ч.

Режим работы административных и офисных зданий предусматривает включение центральных систем вентиляции и кондиционирования воздуха с приходом первых служащих и выключение с уходом последних. С учетом неравномерности заполняемости персоналом здания инженерные системы эксплуатируются в расчетном режиме не одну смену, а 1,5–2 смены. А если учесть отпуска, командировки, болезни, обеденные перерывы, то получается, что расход энергетических ресурсов примерно на 30–50 % выше, чем это необходимо. Персональная вентиляция по фактическому времени присутствия служащих на рабочем месте позволяет решать эту проблему.

Второй аспект ПВ – эффективность воздухообмена. Человек при совершении легкой работы прокачивает через свои легкие не более 0,5 м³/ч воздуха. В работе американских специалистов показано, что ПВ позволяет сократить воздухообмен на рабочем месте с 40–60 м³/ч при традиционных потолочных воздухораспределителях до 25–30 м³/ч при использовании воздухораспределителей, расположенных вблизи зоны дыхания человека, а это весьма значительная экономия энергии.

И, наконец, к достоинствам ПВ следует отнести возможность индивидуального регулирования параметров микроклимата на рабочем месте.

Теперь о недостатках или, скорее, о задачах, требующих решения в ПВ.

На локальных рабочих местах затруднительно создать равномерное распределение и оптимальные диапазоны параметров микроклимата по фигуре человека (скорость движения и температура воздуха, радиационная температура). Неравномерность тепловых воздействий по фигуре человека вызывает напряжение системы терморегуляции организма и нередко нарушает нормальную температурную топографию поверхности тела. В статье показано, что при наличии возможностей индивидуального регулирования тепловых потоков проблема оптимизации параметров микроклимата решается.

За пределами локальных рабочих зон необходимо также обеспечивать контроль параметров микроклимата. Контроль может осуществляться по нормативам для непостоянных рабочих мест или по допустимым параметрам микроклимата. В отдельных случаях для обеспечения допустимых параметров микроклимата в обслуживаемой зоне всего помещения достаточно регулирующих воздействий систем ПВ, в других случаях помещение должно быть оборудовано фоновыми системами кондиционирования микроклимата.

Определенные трудности связаны с подводом коммуникаций ПВ к локальному рабочем месту. Удобнее всего эта проблема решается с устройством фальш-полов, под которыми могут быть расположены и воздуховоды, и трубопроводы тепло-, холодоснабжения.

Персональная вентиляция требует бóльших первоначальных затрат по сравнению с традиционными системами кондиционирования микроклимата в офисных зданиях за счет большего количества доводчиков, воздухораспределителей, регулирующих устройств, более протяженной сети воздуховодов и трубопроводов.

Значительный потенциал экономии энергии стимулирует поиск оптимальных конструктивных решений и позволяет надеяться, что уже в ближайшей перспективе системы ПВ будут востребованы на рынке инженерного оборудования.