Вентиляция помещения: особенности расчета тепловой нагрузки на СКВ и отопление

М. Кордюков

В жилых и общественных помещениях в летнее время тепловая нагрузка на систему кондиционирования (в зимнее время – на систему отопления) в значительной степени зависит от режима работы и используемой технологии приточной вентиляции. Как учесть влияние вентсистемы на тепловую нагрузку системы отопления/охлаждения рассматривается в данной статье

В связи с ужесточением требований к энергоэффективности зданий фактически произошел переход на использование комбинированной схемы вентиляции:

1. постоянно работающая воздухообменная вентиляция с рекуперацией;
2. периодически работающая прямоточная вытяжка из туалетов, ванных, кухонь и от технологического оборудования.

В настоящей статье предлагается методика расчета тепловой нагрузки на систему кондиционирования (а также на систему отопления) от системы вентиляции. Для упрощения будем рассматривать вариант с летней нагрузкой, как более сложный, а зимний вариант нагрузки будет рассчитываться аналогично.

Исходные данные

Расчетной точкой параметров наружного воздуха примем: Т_out = +35°С; φ_out = 30%. Для внутреннего воздуха примем Т_int = +25°C; φ_int = 40%.

Комбинированные системы вентиляции используются как в жилых, так и в общественных зданиях. Режим работы такой комбинированнойсистемы следующий: воздухообменная вентиляция работает постоянно во всех обслуживаемых помещениях (естественно, когда там находится расчетное количество людей), вытяжная – периодически, только в период практического пользования помещением, в котором она установлена. Для упрощения задачи примем, что поставлена задача определить тепловую нагрузку для подбора оборудования отопления и кондиционирования. При расчете энергопотребления учитывают, что используется таймер, обеспечивающий снижение расхода воздуха в ночное время, но это другая задача, выходящая за рамки настоящей статьи.

В общем случае тепловая нагрузка от системы вентиляции с рекуперацией вычисляется по формуле:

Q_рек = (1 – ή_рек) G (h_помещ – h_улицы) / 3,6; [Вт], (1)

где:

Q_рек – количество тепла, потребное для охлаждения (догрева) воздуха, проходящего через вентустановку с рекуператором;
ή_рек – коэффициент эффективности утилизации тепла в рекуператоре;
G – массовый расход воздуха через вентустановку;
h_помещ – энтальпия воздуха в помещении;
h_улицы – энтальпия воздуха на улице.

В этой формуле значение ή_рек обычно выбирается из документации производителя рекуператора и, как правило, это значение завышено в рекламных целях и приведено к минимальному расходу воздуха через вентустановку. Только очень немногие производители дают программное обеспечение для подбора вентиляционный установки, который позволяет учесть все нюансы рабочего режима. Для получения точного значения тепловой нагрузки от вентустановки введем показатель ή_раб который будем вычислять:

ή_раб = ή_рек · k₁ · k₂;

где:

k₁ – коэффициент, учитывающий увеличениерабочего расхода воздуха через рекуператор по сравнению с минимальным;
k₂ – коэффициент, учитывающий дисбаланс вытяжного и приточного воздуха.

Реальные характеристики

Введение коэффициента k₁ объясняется тем, что обычно производители в документации приводят значение коэффициента рекуперации, относящееся к минимальному расходу воздуха, а при подборе вентустановки в целях снижения капитальных затрат задаются рабочим расходом, близком к максимальному. Пример для одной из установок производителя «ВЕНТС» представлен на графике (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость степени рекуперации от производительности вентустановки

Заметим, что для установки, приведенной на графике, минимальный расход составляет 80 м³/час, максимальный – 240 м³/час. Этот производитель дает подробную техническую документацию, а в тех случаях, когда такой информации нет, приходится пользоваться коэффициентом k₁, значение которого можно выбирать из таблицы 1, построенной на анализе данных от разных производителей рекуператоров:

Таблица. 1. Типичное снижение степени рекуперации от роста производительности вентустановки

Введение коэффициента k₂ объясняется тем, что при совместной работе обеих систем вентиляции возникает дисбаланс вентиляции для воздухообмена, что влияет на эффективность утилизации тепла. В зависимости от коэффициента дисбаланса k (вытяжка/приток – вентиляция подает воздуха больше в помещения, чем удаляет), эффективность утилизации ή изменяется в значительной степени – например, при k = 0,67; ή = 55%; при k = 0,92; ή = 64% в режиме кондиционирования.

Данные для таблицы 2 взяты из расчетной программы подбора приточно-вытяжных установок DAIKIN. Этот производитель – один из немногих, кто предоставляет возможность программным путем рассчитывать режим работы установки с дисбалансом вытяжного/ приточного воздуха. В технических характеристиках оборудования не приводится предельного значения дисбаланса, однако из практического использования софта можно понять, что менее 75% дисбаланса – не рекомендованный производителем режим работы.

Таблица. 2. Дисбаланс вентиляции для общего воздухообмена

Здесь следует сделать несколько важных замечаний:

1. В коммерческой документации (в каталогах оборудования) обычно приводят рекламные цифры показателей эффективности рекуперации. Как правило, эти цифры относятся к режиму работы на самой малой скорости и без дисбаланса. В представленной таблице 2 расчет режима произведен на самой высокой скорости вентиляторов, на которой эффективность рекуператора намного ниже, чем на низкой скорости.

2. В коммерческой документации (в каталогах оборудования) обычно приводят показатель термической эффективности рекуперации в зимнем режиме. Он вычисляется без учета конденсации влаги, уносимой с удаляемым из помещений воздухом, т. е. при температурах наружного воздуха +7°С. При более низких температурах происходит конденсация влаги, увеличивающая эффективность. Однако, при отрицательных температурах требуется периодическое оттаивание инея, выпадающего на теплообменнике, что вызывает затраты энергии и времени, а это существенно ухудшает показатели эффективности рекуперации. В режиме кондиционирования также обычно представляется термическая эффективность (т. е. сухое охлаждение воздуха) в рекуператоре, исходя из предположения, что высушивание избыточной влаги из приточного воздуха выполняется кондиционером.

В представленной таблице 2 произведен расчет эффективности энтальпийной рекуперации (т. е. с учетом влажности воздуха), которая фактически происходит в вентустановке.

Во всех типах рассматриваемых вентустановок используются центробежные вентиляторы, имеющие гибкую аэродинамическую характеристику: при уменьшении сопротивления сети (а включение дополнительной вытяжной системы вентиляции может рассматриваться как снижение сопротивления приточной сети) возрастает расход приточного воздуха, в то время как вытяжка через вентустановку остается не пизменной.

Три режима дисбаланса

В различных типах помещений можно классифицировать три режима дисбаланса потоков воздуха:

1. Кратковременное (до 20% от общего времени работы вентиляции общего воздухообмена) включение вытяжной вентиляции в объеме, не превышающем 25% от производительности вентиляции (характерно для жилых помещений, небольших офисов и части общественных зданий);

В этом случае допускается не принимать никаких мер по компенсации дисбаланса: тепловая инерция строительных конструкций не позволит температуре в помещениях выйти из зоны комфорта.

2. Постоянная работа вытяжной вентиляции в объеме 25-50% от расхода вентиляции для общего воздухообмена (характерно для больших офисов, части общественных помещений); В этом случае следует предусмотреть отдельную прямоточную приточную установку, обеспечивающую дисбаланс основной установки в пределах 0–25% от рабочего расхода.

3. Постоянная работа вытяжной вентиляции при объеме свыше 50% от расхода общего воздухообмена (характерно для технологических помещений).

В этом случае в дополнение к общей обменной вентиляции следует предусмотреть постоянно действующую приточную вентиляцию с рекуперацией. Тип рекуператора выбирается в зависимости от категорийности обслуживаемых помещений – чаще всего используют гликолевые рекуператоры.

Соответственно, на этих трех режимах тепловая нагрузка от системы вентиляции на систему отопления и кондиционирования должна рассчитываться по-разному. Такой подход расчета с учетом особенностей работы на разных режимах дает возможность произвести экономический анализ капитальных затрат при подборе всего комплекта оборудования и получить его оптимальную конфигурацию. Например, увеличение типоразмера приточной установки при фиксированном расходе ведет к увеличению коэффициента рекуперации и снижению стоимости теплогенератора и кондиционера (из-за снижения нагрузки на них).

Изложенный в статье подход для расчета тепловой нагрузки дает не только возможность точнее подобрать оборудование для системы отопления и кондиционирования, но и выполнить цифровое моделирование процесса расхода энергии на поддерживание заданных параметров микроклимата в нескольких вариантах и выбрать режим наибольшей энергоэффективности.

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