Пути повышения энергоэффективности способов воздухораспределения

Л. Я. Баландина, директор по научной работе ООО «Арктос», канд. техн. наук, bal@arktos.ru

В.Э. Шкарпет, генеральный директор ООО «Арктос», канд. техн. наук

Одним из путей повышения энергоэффективности систем вентиляции и кондиционирования является совершенствование способов и средств воздухораспределения. Подсистема воздухораспределения – это единственная подсистема, которая одновременно влияет на все технико-экономические (расходы теплоты, холода, воздуха, воды на увлажнение) и эксплуатационно-энергетические показатели (расходы электроэнергии, материалов).

Опыт показывает, что при неправильном выборе способов воздухораспределения энергоэффективность систем вентиляции и кондиционирования (СКВ) может оказаться низкой даже при передовых энергосберегающих схемах обработки воздуха, заложенных в проекте. Например, при воздушном отоплении и неудачно организованном выпуске нагретого воздуха могут образовываться застойные зоны с повышенными температурами и концентрациями газовых вредностей или при подаче холодного воздуха – зоны с повышенными подвижностями воздуха, что вызывает нежелательное ощущение сквозняка. Может наблюдаться значительное расслоение воздуха по высоте помещения.

Существуют различные пути повышения энергоэффективности при организации воздухообмена в помещении: традиционно и широко используются воздухораспределители, формирующие закрученные струи, для систем перемешивающей вентиляции и низкоскоростные воздухораспределители – для систем вытесняющей вентиляции.

Известно, что закрученные струи в связи с высокой интенсивностью затухания температуры и скорости в струях позволяют реально уменьшить расчетный расход приточного воздуха за счет увеличения избыточной температуры воздуха на притоке. Для здания с теплоизбытками 300 кВт повышение ∆t₀ на 5 °C позволяет сократить энергоресурсы на 11% при одновременном снижении капитальных затрат на 13%, строительных площадей на 10,5% [1].

Наибольшее распространение в 80-е годы получили воздухораспределители (типа ВЭС, ВЭП) с плосколопаточными закручивателями. Именно такой тип конструкции воздухораспределителей признавался наиболее эффективным для раздачи больших объемов воздуха (нагретого или охлажденного) в производственных помещениях. Появилась возможность получить значительный экономический эффект от сокращения расхода приточного воздуха при строительстве больших промышленных гигантов-новостроек (таких как ВАЗ, КамАЗ, «Сардизель», «Атоммаш», Костомукшский ГОК, Чебоксарский тракторный завод и др.).

В настоящее время разработаны и успешно применяются новые типы воздухораспределителей, формирующих закрученные приточные потоки (рис. 1):

• панельные воздухораспределители турбулизирующие типа ВКТ с поворотными пластиковыми ячейками, расположенными в круглых отверстиях по концентрическим окружностям на панели;
• воздухораспределители панельные вихревые типа ВПВ с поворотными направляющими ячейками, расположенными в прямоугольных отверстиях по радиальной схеме на панели.

Рисунок 1. Воздухораспределители, формирующие закрученные потоки

В помещениях при наличии теплоизбытков и загрязнений в рабочей зоне рациональнее подать охлажденный воздух с низкой скоростью непосредственно в рабочую зону с тепловыделениями по принципу вытесняющей вентиляции через ВР типа ВНП, ВНК, ВНВ, ВНЛ, ВНУ (рис. 2). Тогда теплый воздух с различными вредными примесями в конвективных потоках поднимется в верхнюю, необитаемую зону помещения, откуда удалится через вытяжные устройства, расположенные у потолка. Таким образом поддерживается расчетная температура воздуха не по всей высоте помещения, как это происходит в перемешивающих системах, а только в нижней, рабочей зоне.

Рисунок 2. Воздухораспределители для систем вытесняющей вентиляции

По внешнему виду все известные зарубежные и отечественные аналоги для вытесняющей вентиляции очень схожи и как бы просты в исполнении. Это цилиндрический или прямоугольный перфорированный короб, куда, как правило, сверху подается охлажденный воздух и через перфорацию направляется в рабочую зону. Сложности заключены в «начинке» изделия.

Вытесняющая вентиляция в ряде случаев позволяет сократить расход энергии на охлаждение воздуха СКВ до 40% [2].

Поддержание заданного микроклимата при минимуме энергозатрат обеспечивается также за счет применения систем вентиляции и СКВ с переменным расходом воздуха и максимальным использованием потенциала наружного воздуха. С ростом теплоизбытков в помещении для поддержания заданных параметров воздушной среды в рабочей зоне с переменным расходом средства автоматического регулирования должны увеличить подачу приточного воздуха, а при снижении – уменьшить. Современный уровень диспетчеризации и систем автоматики серьезно вырос и позволяет успешно решать вопросы автоматического регулирования расхода воздуха по потребности для поддержания необходимых температуры, концентрации СО₂, влажности и других параметров. Поэтому в последние годы как у нас в стране, так и за рубежом возобновился интерес к системам с переменным расходом воздуха (количественное регулирование). За рубежом эти системы называются VAV, это аббревиатура английского словосочетания Variable Air Volume.

Однако одной из причин, препятствующих широкому распространению метода количественного регулирования, до сих пор является отсутствие специальных воздухораспределителей для этих систем. Изменение расхода воздуха, т. е. скорости выпуска воздуха из ВР в системах VAV приводит к изменению соотношения гравитационных и инерционных сил в приточных неизотермических струях. При изменении соотношения гравитационных и инерционных сил может меняться траектория струи, место отрыва настилающейся струи от поверхности потолка или пола, увеличиваться или уменьшаться интенсивность затухания скоростей или избыточных температур в приточных струях. Важно обеспечить постоянство параметров в месте внедрения струи в рабочую зону, вне зависимости от колебаний тепловой нагрузки в объеме помещения. Это можно реализовать только с помощью регулируемых ВР специального конструктивного исполнения, например ВР типа ПРМЗ (рис. 3).

Рисунок 3. Воздухораспределители для системы VAV (системы с переменным расходом воздуха)

Охлажденный воздух рационально подавать горизонтальной веерной струей, а теплый – вертикальной прямоточной. В таких системах удается снизить годовые эксплуатационные расходы на 15–20% и более по сравнению с системами качественного регулирования [3].

За последние годы появились новые пути повышения энергоэффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха за счет совершенствования способов воздухораспределения. Среди них заслуживают внимания два новых направления:

• повышение качества комфортной среды обитания человека за счет использования пульсирующих приточных потоков при более высоких значениях температуры («динамический микроклимат»);
• локальная вентиляция и кондиционирование воздуха персонального рабочего места.

«Динамический микроклимат» – понятие, определяющее такое состояние воздушной среды, при котором ее основные физические параметры (температура, скорость и направление приточного воздуха) изменяются в оптимальных-комфортных для человека диапазонах. При переменном характере подвижности воздуха по величине и направлению человек способен чувствовать комфорт при более высоких значениях температуры, в чем и кроется возможность экономии затрат на потребление холода при «динамическом микроклимате».

Идея создания «динамического микроклимата» давно зрела в среде зарубежных и отечественных исследователей. Но, как правило, предлагалось механическим способом создавать пульсации в струях (Н.С. Зерцалов, А.А. Рымкевич, В.В. Ловцов, Ю.Н. Хомутецкий и другие), что отличается большими энергетическими затратами, трудностями при эксплуатации и повышенным уровнем генерируемого шума.

Создание «динамического микроклимата» при более высокой комфортной температуре позволяет получить экономию затрат на потребление холода. Известно, что при повышении комфортной температуры на 1 ˚С можно уменьшить потребление холода примерно на 20% и снизить расход приточного воздуха [4].

Использование микротурбулентных пульсирующих воздушных вихрей в воздухораспределении без механического побуждения впервые было предложено Б.Н. Юрмановым и Т.П. Авдеевой, а затем развито, апробировано исследованиями и доведено до практической реализации в новых воздухораспределителях специалистами завода «Арктос» и ЗАО «Бюро техники». Новизна, оригинальность, существенные отличия и положительный эффект конструктивных решений защищены патентами по совместной заявке.

Создана серия формирующих «динамический микроклимат» инновационных воздухораспределителей (рис. 4), имеющих различное исполнение в зависимости от задач воздухораспределения и обеспечивающих снижение энергозатрат не менее чем на 20% [4].

Рисунок 4. Воздухораспределители, формирующие «динамический микроклимат»

Разработанные ВР, названные «генераторами комфорта» – ВГК, – обладают принципиально новым свойством – автоколебательным движением приточных струй, циклически повторяющихся с частотой 5–20 Гц без движущихся деталей.

Серия воздухораспределителей ВГК состоит из 3 исполнений: настенные, потолочные, панельные.

По результатам численного моделирования (СFD) с помощью программного пакета Coolit и физических экспериментов на аэродинамическом и акустическом стендах получен большой комплекс новой информации:

• наличие пульсирующего воздушного потока без движущихся деталей;
• увеличенный угол полного раскрытия струи до 120 °;
• повышенная интенсивность затухания скорости и избыточной температуры приточной струи;
• уменьшенная дальнобойность воздушной струи (~ в 3 раза по сравнению с прямоточной струей);
• уменьшенная площадь застойных зон в помещении;
• повышенное заглушение шума от вентилятора, особенно в низкочастотной области;
• возможное повышение температуры воздуха в помещении на 1÷2 °C с сохранением ощущения комфорта и, как следствие, уменьшение потребления холода на систему кондиционирования.

В последние годы большой интерес, особенно за рубежом, вызвала локальная система кондиционирования воздуха в офисных зданиях из-за возможности существенной экономии энергоресурсов. Например, для климатических условий Москвы в расчете на одно офисное место (10 м²) экономия тепла может составлять до 70 кВт·ч/м² в год, а электроэнергии – 18 кВт·ч/м² в год. Пиковые нагрузки на тепловую и электрическую энергию в системах ОВК могут быть снижены на 40% [5].

На 12-й международной конференции ROOMVENT 2011 по вопросам воздухораспределения в Норвегии (Тронхейм, июнь 2011 года) было рассмотрено много примеров реализации локальной системы кондиционирования и вентиляции на объектах гражданского назначения. Отмечалась высокая эффективность использования свежего наружного воздуха с возможностью его существенного сокращения для комфортного пребывания человека на рабочем месте в офисе.

Интересные данные по вопросу локальной вентиляции и кондиционирования воздуха приводит А.Л. Наумов в [5]. В статье даны конструктивные решения систем локального кондиционирования воздуха и вентиляции, позволяющие организовать подачу свежего воздуха на рабочее место при минимальных энергетических затратах и сохранении оптимальных условий комфорта. Приводится сравнение такой системы с традиционной централизованной системой в административных зданиях.

В дополнение к этой информации можно отметить еще один положительный аспект. Локальная система вентиляции и кондиционирования может рассматриваться как решение по предотвращению распространения воздушных инфекций, особенно если оснастить систему вентиляции индивидуальной вытяжкой в верхней части, прямо позади человека (рис. 5). Тогда не только улучшится качество вдыхаемого воздуха, но и выдыхаемый загрязненный не будет распространяться по помещению.

Рисунок 5. Локальная система кондиционирования воздуха

В зарубежных странах (Дания, Германия, Норвегия, Румыния, Франция и др.) широко изучается влияние локальной вентиляции и кондиционирования воздуха на комфортное состояние человека с помощью СFD-моделирования и инструментальных измерений на людях и манекенах.

Подача локального притока воздуха в зону пребывания человека в зависимости от назначения помещения и вида загрязнений позволяет, как утверждают специалисты, снизить расход наружного воздуха до 50%.

Заключение

Творческая работа над проектом, использование численного моделирования на стадии предпроектного проектирования и реализация прогрессивных решений по воздухораспределению позволяют повысить энергоэффективность систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Литература

1. Баландина Л.Я., Вишневский Е.П. Вентиляция крупных промышленных и общественных сооружений. // Труды VII съезда АВОК. М., 2000.
2. Ливчак А.В. Вытесняющая вентиляция в школах // AВОК – 2004.– № 8.
3. Гримитлин М.И., Зерцалов Н.С. Проблемы и пути совершенствования воздухораспределения в системах кондиционирования и вентиляции с количественным регулированием // Материалы семинара ЛенДНТП. Л., 1978.
4. Брук С.В. Влияние особенностей метаболизма на воздушный баланс человека // Отопление, водоснабжение, вентиляция, кондиционирование. – 2007. – № 2.
5. Наумов А.Л., Капко Д.В. Локальные системы кондиционирования воздуха в офисных зданиях // АВОК. – 2012. – № 2.