Системы переменного расхода воздуха

С. Шовкопляс

Какие бывают системы переменного расхода воздуха, применяемые в современных централизованных системах кондиционирования? Какие имеются пути улучшения показателей энергоэффективности данных систем?

Главное предназначение любой системы HVAC – централизованной или децентрализованной – обеспечение комфортного микроклимата в помещении для его обитателей. Это достигается подачей в помещение воздуха с определенными качественными (химический состав и степень загрязненности) и количественными показателями (температура, влажность, частота воздухообмена и скорость движения потоков воздуха) и т.д.

Нормативная база

Сейчас в Украине параметры микроклимата помещений регламентированы, в том числе следующими нормативными документами: ДБН В.2.2-15-2005 «Житлові будинки. Основні положення», ДБН В.2.6-31:2006 «Конструкції будинків і споруд. Теплова ізоляція будівель», ДБН В.2.5-67:2013 «Опалення, вентиляція та кондиціонування». Последний ДБН ссылается на следующие связанные с ним документы:

• ДБН А.2.2-1-2003 Склад і зміст матеріалів оцінки впливів на навколишнє середовище (ОВНС) + Зміна №1
• ДБН А.2.2-3:2012 Склад, порядок розроблення, погодження та затвердження проектної документації для будівництва
• ДБН В.1.1.7–2002. Пожежна безпека об’єктів будівництва
• ДБН В.1.2-2:2006. Навантаження і впливи. Норми проектування
• ДБН В.1.2-7-2008. СНББ. Основні вимоги до будівель• ДБН В.1.2-8-2008 Основні вимоги до будівель і споруд
• ДБН В.1.2-10-2008. Захист від шуму
• ДБН В.1.2-11-2008. СНББ. Основні вимоги до будівель і споруд, економія енергії
• ДБН В.2.2-24:2009. Будинки і споруди. Проектування висотних житлових і громадських будинків
• ДБН В.2.5-22-2002. Інженерне обладнання будинків і споруд. Зовнішні мережі гарячого водопостачання та водяного опалення
• ДБН В.2.5-28-2006. Природне і штучне освітлення
• ДБН В.2.5-56:2010 Системи протипожежного захисту
• ДБН В.2.6-31:2006. Теплова ізоляція будівель
• ДБН В.3.2-2-2009 Житлові будинки. Реконструкція та капітальний ремонт
• ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007 Настанова з розроблення енергетичного паспорту будинків
• ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010 «Будівельна кліматологія»

Нормирование параметров микроклимата помещений наиболее полно представлено в международном стандарте ISO 7730 Third edition 2005-11-15 Ergonomics of the thermal environment - Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria (Эргономика тепловых условий - определение и разъяснение теплового комфорта с использованием PMV (прогнозированное среднее значение теплового ощущения) и PPD (прогнозированный процент неудовлетворительных показателей и критериев местного теплового комфорта).

Для проектирования систем отопления, охлаждения, вентиляции, освещения и проверки параметров внутренней среды помещений исходные данные в странах Евросоюза принимают согласно с EN 15251:2007 Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics (Параметры внутренней среды для проектирования и определения энергоэффективности домов по качеству внутреннего воздуха, теплового состояния, освещенности и акустики).

Этот стандарт вмещает в себя основные положения и подходы, утвержденные в ISO 7730, дополняет их требованиями по воздухообмену и уровню шума для разных типов домов и помещений и разъясняет применение тех или иных параметров с учетом особенностей проектирования домов с системами охлаждения (кондиционирования) с естественной и принудительной вентиляцией в жилых и нежилых зданиях и т.д. Причем нормы воздухообмена для строящихся и реконструируемых домов в ЕС отличаются как в большую, так и в меньшую сторону от положений отечественных ДБН, но в целом они меньше, чем по отечественным требованиям, что позволяет сократить расходы тепла, уносимого с оттоком воздуха из вентиляции.

Объем данных, нормируемых параметров и требований, описанный в этих документах, огромен. Тем не менее он недостаточен для понимания, какая централизованная система обеспечения микроклимата лучше и перспективнее с точки зрения энергоэффективности.

Подходы к зонированию микроклимата

Можно сказать, что комфорт для обитателей в жилом здании и на рабочем месте (например в офисе) в основном зависит от двух показателей воздуха: температуры и влажности. Приток свежего (наружного) воздуха должен быть обеспечен для зданий любого типа. Строительные нормы предписывают, какое количество воздуха должно подаваться в помещения разного назначения (производительность системы) и частоту полной замены воздуха внутри на воздух извне, поддерживая при этом оптимальную температуру и влажность.

В основном централизованные системы обогрева/охлаждения воздуха по принципу действия бывают таких типов:

• Системы постоянной производительности по воздуху, но с переменной температурой (Constant Volume – Variable Temperature, CV-VT).
• Системы переменной подачи воздуха с постоянной температурой (Variable Volume – Constant Temperature, VV-CT).
• Системы регулируемой подачи воздуха с изменяемой температурой (Variable Volume – Variable Temperature, VV-VT).

При изменении температуры влажность в помещениях, где требуется обеспечить зону комфорта, тоже повышается или уменьшается. В сухом климате централизованные системы HVAC оборудуются увлажнителями, и наоборот, там, где климат влажный, применяются различные технические решения, чтобы удалить излишнюю влагу из воздуха, поступающего в помещение.

В больших зданиях система HVAC должна обеспечить разные требования в различных зонах – как по производительности воздухообмена, так и по температурно-влажностному режиму, причем в зависимости от того, находится ли это помещение в центральной части здания, на северной или южной, жаркой стороне. Фактически, перед централизованной системой ставится очень противоречивая задача – одновременно в одних помещениях нужно подогревать воздух, в других охлаждать, где-то нужно сушить воздух, а где-то обеспечивать (периодически) повышенный приток свежего воздуха с заданными параметрами температуры и влажности(см. рис. 1). В центральной части здания, как правило, нужно обеспечить должный уровень вентиляции и охлаждения, нагрев там не нужен.

Рис. 1. Зонирование на этаже в типичном офисном здании

Микроклимат и степень воздухообмена зависят от числа и длительности пребывания людей и степени тепловыделения оборудования в этих помещениях. Кроме того, наружная оболочка в
разной части здания имеет различные величины поступления (потерь) энергии извне (наружу) и солнечной освещенности. Общий тепловой баланс здания и микроклимат в его помещениях
зависит, в том числе, от местности, времени года и суток, солнечной экспозиции, площади и типа остекления, степени затененности соседними строениями и растительностью, даже от цвета стен.

Другими словами, справиться с такими разными требованиями системе без одновременного регулирования параметров подачи воздуха в зависимости от состояния запроса от конечного
потребителя практически не представляется возможным.

Помещения или группы помещений с похожими требованиями относительно обогрева или охлаждения в данное время года называют зонами. В одно и то же время в помещения, относящиеся к одной зоне, подается воздух примерно одинаковой температуры и в примерно одинаковом количестве. Кроме того, в зависимости от времени года и суток, микроклиматическое зонирование помещений может меняться.

Одно- и многозональные системы

Первые централизованные системы HVAC были однозональными – они поставляли воздух от центрального устройства подачи воздуха, централизованно нагревали или охлаждали его в зависимости от температуры наружного воздуха и распределяли его по точкам разбора (см. рис.2). Регулирование подачи осуществлялось путем дросселирования (как правило, заслонками). Такую систему практически невозможно было сбалансировать ни по теплу / холоду, ни по степени гарантированного воздухообмена. Малейшие изменения у какого-нибудь потребителя (например, поворот заслонки на точке разбора) приводил к новому состоянию всей системы по расходу и сказывался на всех потребителях. Дросселирование – самый неэффективный способ регулирования с точки зрения энергосбережения: энергия потока (потенциальная и кинетическая) превращается в тепло и звук. Из-за теплопотерь и падения давления по мере удаленности точки разбора от центрального устройства подачи невозможно также было соблюдать температурный режим даже в первоначально заданных пределах – ни по температуре, ни по расходу.

Рис. 2. Однозональная централизованная климат-система

В многозональных системах (см. рис. 3), выпускавшихся ранее, была предусмотрена подача разного количества воздуха разной температуры в каждую зону. Для каждой такой зоны были выделены отдельные воздуховоды. Нагревательный и охладительный контур работали одновременно, а температуру нагрева и охлаждения можно было регулировать. Дросселирующие заслонки с приводом смешивают холодный и нагретый воздух в пропорции, которая задается зональным датчиком температуры, установленным в одном из «типичных» помещений для каждой зоны.

Рис. 3. Многозональная централизованная климат-система

От правильности выбора помещения, которое было «задающим» для всей зоны, зависела точность поддержания комфорта, но получалась некая усредненная по температуре смесь, поступающая в каждую комнату одной зоны с фактически разной температурой и расходом из-за потерь давления по длине и тепла / холода из-за местных потерь в каналах.

Когда нагреватель и охладитель работают одновременно, то это называется «в раскачку» или «в противоход», так как они оба работают противонаправленно и, таким образом, компенсируют действие друг друга. Возникают колебания по расходу в горячей и холодной ветвях. В какие-то моменты «побеждает» нагревательная система, в другие – охладительная. Такая многозональная система (см. рис. 3) расходует слишком много энергии, и теперь во многих странах установка этих систем запрещена местными строительными кодексами.

Двухканальная система распределения воздуха

Следующим способом поддержания необходимого микроклимата по зонам стали системы с двухканальным распределением воздуха (dual duct system, DDS), (см. рис. 4). Двухканальная система, подобно «классической» многозональной схеме, тоже имеет отдельные каналы для нагрева и охлаждения воздуха, поступающего от центрального устройства нагнетания. Чаще всего такие системы реализуются по принципу поддержания постоянной производительности по воздуху, но с переменной температурой (CV-VT).

Рис. 4. Двухканальная система распределения воздуха

Эти системы потребляют слишком много энергии, потому что системы нагрева и охлаждения работают противонаправленно, однако они точнее и все-таки экономичнее мультизональных схем по рис. 3. В DDS-схеме тоже смешивается холодный и горячий воздух, но регулирование смеси происходит в непосредственной близости от зональных точек разбора, которые теперь расположены ближе к группам конечных потребителей. Тем не менее в большинстве развитых стран из-за неэкономичности запрещено оснащать такими системами новые строящиеся или старые реконструируемые здания.

Системы DDS имеют и другие характерные проблемы. Как правило, для охлаждения требуется намного больше воздуха, чем для нагрева, и «холодному» каналу нужно больше приточного
воздуха. В результате этого в канале для горячего воздуха статическое давление время от времени оказывается несколько выше, чем в холодном воздуховоде. То есть из-за обычно более высокого давления в горячем канале могут возникать перетоки из горячей в холодную ветвь, что может сопровождаться также нежелательными трудно устранимыми акустическими эффектами в разных помещениях и на разных режимах работы климат-системы.

Смесительные коробки высокого давления

Для решения проблемы непостоянной скорости воздушного потока в системах с двухканальным распределением воздуха были разработаны смесительные коробки высокого давления. Они заменяют смесительные клапаны (заслонки с приводом). Смесительные коробки обеспечивают постоянную скорость потока воздуха. Это позволяет точнее приблизить фактическое функционирование системы к принципу постоянного расхода воздуха с переменной температурой (CV-VT).

Смесительные коробки высокого давления требуют для работы относительно высокого статического давления – как правило, не менее 400 Па. Сама система обычно требует примерно 800 Па давления в каналах-воздуховодах. Поддержание такого давления означает большую мощность, прилагаемую к вентилятору (воздуходувке), а с учетом работы «в противоход» это означает высокий расход энергии. По-прежнему осталась нерешенной проблема перетока горячего воздуха в холодный канал, из-за чего приточный воздух не может охлаждать помещения
адекватно. Стоимость эксплуатации двухканальных систем воздуховодов, даже с применением смесительных коробок высокого давления двойной системы, оставалась слишком высокой.

Зональные подогреватели низкого давления

Позже были разработаны «блоки повторного нагрева низкого давления», или т.н. «подогреватели-доводчики», или зональные подогреватели низкого давления. Принцип их работы таков: приточный воздух должен быть достаточно охлажденным, чтобы покрыть потребности в холоде для наиболее охлаждаемой зоны, приточный воздух для всех других зон может быть повторно нагрет. Однако не было никакого контроля температуры, если нагреватель не работал. В летнее время, когда отопительный котел обычно нормально выключен, система может поставлять только холодный воздух, произведенный центральной системой охлаждения, а мощность местного «догревателя» ограничена, отчего часто в зонах кондиционирования было слишком холодно.

По материалам публикаций Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE).

Продолжение статьи.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok.  Долучайтесь!

Переглянуто: 5 874