изучим самую простую и наиболее распространенную систему: одноканальная VAV, показанная на Из венткамеры приточный воздух (смесь наружного и рециркуляционного) подается по общему воздуховоду к распределительным устройствам по помещениям. Каждый распределитель подает в помещение то количество приточного воздуха, которое требуется для поддержания заданной температуры. Удаляемый из помещения воздух затем подразделяется на рециркуляционный и выбросной.

При проектировании рассмотренной многозональной системы вентиляции необходимо предусматривать выполнение следующих условий:

обеспечение пиковой нагрузки по вентиляции; подачу требуемого количества вентиляционного воздуха во всем диапазоне нагрузок по холоду; обеспечение минимального энергопотребления вентилятором. Условие 1: Обеспечение пиковой нагрузки по вентиляции
Задачей расчета является подбор нагревателей и охладителей, и определение требуемого количества наружного воздуха при максимально возможной вентиляционной нагрузке. Многие проектировщики просто суммируют воздухообмен во всех обслуживаемых помещениях. Это верно в том случае, когда воздух подается в каждое помещение по отдельному воздуховоду, но в большинстве систем с переменным расходом используется общий воздуховод для подачи смеси наружного и рециркуляционного воздуха; при этом содержание наружного воздуха в приточном для всех помещений одинаково, а требования, с точки зрения обеспечения санитарной нормы, могут быть различны.

Если одно из помещений, критичное по вентиляционной нагрузке, принять за расчетное при определении концентрации наружного воздуха в приточном, то для других помещений такая концентрация окажется избыточной. В этом случае воздух, отводимый из критического помещения, содержит предельно высокую концентрацию загрязнений и не может быть использован в качестве рециркуляционного. В то же время воздух, удаляемый из других помещений с более низким содержанием вредностей, может быть использован для вентиляции.

в потоке, удаляемом из помещений, имеется некоторый потенциал по ассимиляции загрязнений, но при достижении предельно допустимой концентрации, воздух должен выбрасываться, так как использование его для рециркуляции снижает общую эффективность вентсистемы.

Требования к системам вентиляции приведены в Стандарте 621989 ANSI/ASHRAE Обеспечение качественного микроклимата в помещении средствами вентиляции . рек. использовать специальные уравнения многозональных систем (уравнение 1 для определения необходимого количества наружного, рециркуляционного и выбросного воздуха.

Расчет вентиляции отдельных помещений
Упрощенная схема системы вентиляции ( включает 3 помещения и приточнорециркуляционную камеру. Для определения минимально необходимого количества наружного воздуха определим параметры, связанные с обслуживаемым помещением.

Норма подачи свежего воздуха (Rp или Ra)
Согласно Стандарту 621989 (табл. 2, раздел Расчет вентиляции ) определим расход воздуха на каждое помещение Rp, фут3/мин (чел. или Ra, фут3/мин (фут2).

Расчетная производительность системы по вентиляции (DVR)
Расход воздуха на каждое помещение (Vo) определяется по формуле: Vo=PxRp или Vo=AxRa. Расчетный расход определяется, исходя из расчетного количества людей в помещении (P=Pd) или просто по площади (DVR=PdxRp или DVR=AxRa).

Эффективность воздухообмена (Eac)
Какова эффективность воздухораспределения, т.е. смешивания приточной струи и воздуха рабочей зоны? При правильном подборе воздухораспределителей обычно обеспечивается полное смешение (Eac= . Подача нагретого воздуха в верхнюю зону, приводит к температурному расслоению и частичному байпассированию (Eac=0, .

Минимальный расход приточного воздуха (Vm)
В одноканальных VAVсистемах расход первичного воздуха, поступающий в концевой распределитель, равен расходу приточного воздуха в помещении. Указанная величина изменяется от минимального (Vp=Vs=Vm) до расчетного (Vp=Vs=Vd) значения в зависимости от тепловой нагрузки. В качестве примера принято, что величина минимального расхода воздуха составляет 20 % от расчетного (Vm=0,2Vd, фут3/мин) для каждого помещения.

Вентиляционная составляющая в воздухообмене (zm)
В зависимости от количества людей в каждом помещении санитарная норма наружного воздуха составляет определенную долю в приточном (z=Vo / Eac / Vs). Наибольшее значение этой величины имеет место, когда количество приточного воздуха, определенное по тепловой нагрузке, минимально (Vs=Vm), а санитарная норма подачи наружного воздуха достигает расчетного значения (Vo=DVR). Эта критическая величина zm должна быть рассчитана для каждого помещения (zm=DVR/Eac/Vm). Минимальное значение Vm определяется по соответствующим расчетным условиям. Более высокие значения Vm означают небольшой рост нагрузки на концевые нагреватели и значительное снижение доли наружного воздуха; при более низких значениях Vm незначительно снижается нагрузка на подогрев, и существенно возрастает потребность в подаче наружного воздуха.

Расчет вентиляционной системы
С учетом вышеизложенного определяют эффективность воздухообмена и максимальную потребность в подаче наружного воздуха для каждого помещения ( .

Критическое значение вентиляционной составляющей в общем воздухообмене (Z)
Помещение с наибольшей потребностью в наружном воздухе (z=Vo/Eac/Vs) принимается в качестве критического для системы и определяет критическое значение вентиляционной составляющей (Z=max(z)). Обозначим для критического помещения Vo=Voc и Vs=Vsc, примем Eac=1,0 и сравним значение z=Voc/Vsc с данными Стандарта 621989; для дальнейшего использования корректируем полученное значение z в соответствии со Стандартом. Для расчетных условий (Vo=Voc=DVR и Vs=Vsc=Vm) критическое значение вентиляционной составляющей определяется как Z=DVR/Eac/Vm.

Общий расход воздуха на вентиляцию (Von)
Во всех случаях Von=Ј Vo. В расчетных условиях (P=Pd) общий расход воздуха на вентиляцию с учетом неравномерности заполнения помещений людьми составляет Von=PFxЈ DVR. Обычно проектировщики принимают значение PF=1,0 (как на ; наиболее скрупулезные определяют фактическую неравномерность заполнения помещений ( ниже).

В Стандарте 621989 принято PF=1, но допускается расчет фактической неравномерности, основанный на среднем значении количества людей в помещении (P=Pd=Pa) и соответствующем значении подачи наружного воздуха (DVR=PaxRp).

Общий расход приточного воздуха (Vpt)
Во всех случаях Vpt=Ј Vp. Расчетный расход приточного воздуха определяется как сумма расходов приточного воздуха по всем помещениям с учетом неравномерности тепловой нагрузки (Vpt=DFxЈ Vd). На примере 2 для наглядности принят необычно низкий k неравномерности DF=0,67.

В Стандарте 621989 нормируется расход воздуха, подаваемый в помещения Vst, а не общий расход первичного воздуха Vpt. Для одноканальных VAVсистем эти величины одинаковы, а для двухканальных систем или систем с дополнительными вентиляторами значение Vst превышает Vpt. При проектировании определение расхода первичного воздуха обычно является приближенным.

Среднее значение вентиляционной составляющей (X)
Указанная величина определяется как отношение санитарной нормы к общему объему приточного воздуха для расчетных условий (X=Von/Vpt).

В Стандарте ASHRAE 621989 приводится определение неуточненное значение вентиляционной составляющей X=Von/Vst , которое идентично среднему значению этой величины для одноканальных систем, если Vpt=Vst.

Эффективность вентсистемы (Ev)
Для одноканальных VAV систем k Ev может быть определен через величины средней и критической вентиляционной составляющих: Ev=1+XZ. Если вентиляционная составляющая воздухообмена для критического помещения (Z) существенно больше средней (X), то удаляемый воздух обладает значительным потенциалом по ассимиляции загрязнений. Выброс такого воздуха приводит к снижению эфф. систем вентиляции.

Общий расход наружного воздуха (Vot)
Используем уравнение многозональной вентиляции MSE (ниже) для расчета критической потребности наружного воздуха с учетом коэффициента эфф. вентиляции: Vot=Von/Ev. Эта величина используется для определения нагрузки на охлаждение.

Другие системы вентиляции с переменным расходом
Уравнение для расчета эфф. систем вентиляции, рассмотренное для упрощенного примера ( , может использоваться и для других многозональных систем вентиляции, но не подходит для систем с локальной рециркуляцией и двухканальных двухвентиляторных систем. VAV системы, где вентиляционный воздух подается в помещение по нескольким каналам, характеризуются недостаточно высокой эффективностью использования потенциала приточного воздуха для вентиляции. Обобщенные уравнения для расчета эфф. многозональных систем вентиляции различных типов, опубликованные в [2, 3], здесь не рассматриваются.

Следует отметить, что в зданиях, бывает несколько вентсистем; объем приточного воздуха следует рассчитывать отдельно для каждой системы.

Условие 2: Обеспечение потребности вентиляции во всем диапазоне тепловых нагрузок
Процедура расчета, описанная выше, включает определение расхода наружного воздуха для максимальной нагрузки, но как обеспечивается потребность в вентиляции в нормальных условиях? В табл. 1, кол. А приведены данные для полной нагрузки VAVсистемы и два варианта частичной нагрузки.

Работа системы с полной нагрузкой
Предположим, что в помещении, критичном по вентиляции, требуется минимальный воздухообмен для ассимиляции теплоизбытков, в то время как для других помещений тепловая нагрузка преобладает, и приточная система подает соответствующее количество первичного воздуха. Этот вариант с полной нагрузкой соответствует рассмотренному выше расчету на максимальную потребность в вентиляции. Величина коэффициента эфф. вентиляции (Ev=1+0,180,7=0,4 позволяет определить общий расход наружного воздуха (Vot=1800/0,48=3750 фут3/мин = 1700 л/с).

Величина тепловой нагрузки 70 %
Прохладным летним утром требуемая холодопроизводительность системы составляет 70 % от номинальной, но заполнение помещений людьми остается на прежнем уровне и, соответственно, требуемый расход вентиляционного воздуха сохраняет расчетное значение (Vo=DVR). Критическое значение вентиляционной составляющей в воздухообмене (Z=0, и среднее значение этой величины (X=1800/7000=0,25 соответственно изменяются. В некритических помещениях избыточный расход вентиляционного воздуха становится меньше, следовательно, уменьшается неиспользованный потенциал по ассимиляции загрязнений. В систему поступает меньшее количество наружного воздуха (Vot=1800 ? 0,757=2380 фут3/мин=1123 л/с), хотя потребность в вентиляции (Vo=DVR) остается прежней.

Величина тепловой нагрузки 35 %
В осенний день нагрузка системы по холоду снижается до 35 %, общий расход приточного воздуха соответственно изменяется. По аналогии с предыдущим текущее значение эфф. вентиляции определяет требуемую норму подачи наружного воздуха. Для этих условий сочетание вентиляционной составляющей в помещении с самым напряженным режимом (z=0, и среднего значения этой величины для всей системы (X=0,51 определяет более высокое значение эфф. вентиляции (Ev=1+0,5140,7=0,81 с соответствующим снижением расхода наружного воздуха (Vot=1800 ? 0,814=2210 фут3/мин=1043 л/с).

Фиксация положения клапана наружного воздуха
В традиционных VAV системах жестко фиксируется минимальная доля наружного воздуха с помощью специального клапана (обозначение OA). Текущее значение объема наружного воздуха при этом меняется в соответствии с изменением общего расхода в системе. Во всех ли случаях такое техническое решение обеспечит соответствие системы заданным параметрам? Очевидно, нет.

Фиксация клапана наружного воздуха означает практически постоянное содержание наружного воздуха в приточном во всем диапазоне нагрузок, что нежелательно. В табл. 1, кол. B приведен пример обычной ошибки проектировщиков: фиксация ОАклапана в соответствии со средним значением вентиляционной составляющей в воздухообмене (X=0,18 18 % наружного воздуха в приточном) для всех режимов. Это приводит к недостаточной вентиляции как при полной нагрузке (1800 фут3/мин. [850 л/с] вместо 3750 фут3/мин. [1770 л/с]), так и при частичной (1260 фут3/мин. [595 л/с] вместо 2380 фут3/мин. [1123 л/с] и 630 фут3/мин. [297 л/с] вместо 2210 фут3/мин. [1043 л/с].

Некоторые проектировщики фиксируют ОА клапан в положении, соответствующем критическому значению вентиляционнной составляющей в приточном воздухе (Z=0,7, 70 % наружного воздуха для всех режимов). Следствием этого является избыточная вентиляция (7000 фут3/мин. [3300 л/с] вместо 3750 фут3/мин. [1770 л/с]) как для расчетной, так и для неполной нагрузки системы.

Фиксация расхода наружного воздуха
В этом случае поддерживается постоянное значение расхода наружного воздуха (а не его доля в приточном) в соответствии с требованиями Стандарта 62198 Расход наружного воздуха в системе должен поддерживаться не ниже, чем значение Vot, рассчитанное на наибольшую потребность в вентиляции для всех режимов работы. При изменении общего расхода приточного воздуха объем наружного воздуха поддерживается постоянным путем изменения положения клапана; регулирование производится на основе прямых или косвенных замеров. В табл. 1 кол. С показаны результаты расчетов, соответствующие такому решению избыточная подача вентиляционного воздуха для всех режимов с неполной нагрузкой (3750 фут3/мин. [1770 л/с]).

Условие 3: Регулирование системы по принципу минимального энергопотребления
Рассмотренная выше процедура расчета основана на использовании значения расхода наружного воздуха, обеспечивающего максимальную потребность в вентиляции. но в непиковых режимах эффективность использования вентиляционного воздуха становится выше, т. к. уменьшается неиспользованный потенциал по растворению загрязнений. Возможно ли регулировать систему чтобы во всех случаях обеспечивать подачу необходимого, но не избыточного количества воздуха и, тем самым, избежать излишних затрат? Да, если используется базовая схема регулирования вентиляции в соответствии с тем, как будет показано далее.

Требования ASHRAE
В Стандарте 621989 указано, что ...когда используется механическая вентиляция, следует предусматривать средства для проведения измерений в воздушных потоках... , затем, для VAVсистем, ...необходимо обеспечивать требуемое качество воздушной среды в рабочей зоне помещений . В связи с многозональной системой вентиляции отмечается: ...когда несколько помещений обслуживается общей приточной системой..., количество наружного воздуха, подаваемого системой, должно определяться с использованием уравнения 61 . Другими словами, качественная работа многозональной системы вентиляции с переменным расходом воздуха обеспечивается при использовании расчетного уравнения MSE, контроля и регулирования расхода наружного воздуха. Следовательно, система регулирования должна базироваться на одновременном измерении расхода приточного воздуха в помещении и общего расхода наружного воздуха и предусматривать принцип. возможность динамического решения уравнения MSE. В соответствии с полученным результатом должен генерироваться управляющий сигнал для изменения количества наружного воздуха Vot согласно требованиям Стандарта 62198 Для пояснения вышеописанной схемы далее анализируется цикл регулирования вентсистемы.

Базовая схема регулирования вентиляции
Если принять неизменными заполнение помещения людьми и нормы подачи вентиляционного воздуха (Vo=DVR), то снижение расхода первичного воздуха в системе при неполной тепловой нагрузке приводит к повышению эфф. использования потенциала приточного воздуха для вентиляции. Базовая настройка регулирования предусматривает изменение текущего расхода первичного воздуха (Vp), вычисление текущего значения вентиляционной составляющей в притоке (z) для каждого помещения и определение текущего значения объема наружного воздуха Vot (т.е. определяется Z, Von и Vpt, затем решается MSE для определения Vot); в случае необходимости производится регулирование положения клапанов для приведения величины Vot в соответствие с расчетом.

Более сложные схемы регулирования используются в том случае, когда необходимо учитывать изменение количества людей в помещении и соответственно пересчитывать нормы подачи свежего воздуха (Vo=P x Rp). Например, для систем, обслуживающих помещения с известным графиком пребывания людей, может быть использован простой принцип регулирования по времени суток. В других случаях количество людей в помещении может определяться прямым счетом или косвенно путем измерения концентрации CO2 и других газов, связанных с жизнедеятельностью. Фактическое значение количества людей используется для текущего пересчета норм подачи вентиляционного воздуха (Vo и Vot).

Практическое использование базовой схемы регулирования вентиляции
Базовая схема регулирования системы вентиляции легко осуществима на практике; используются разнообразные устройства автоматики, контролирующие параметры работы системы. В частности, используются не зависимые от давления концевые регуляторы с цифровым вводом (DDC/VAV), АСУ здания с циклором, цифровые регуляторы расхода воздуха в приточных камерах и средства для измерения параметров и расхода наружного воздуха. Пример реализации такой системы показан на 3.

На практике DDC/VAV регуляторы измеряют расход первичного воздуха по обслуживаемым помещениям (Vp) и рассчитывают текущее значение вентиляционной составляющей (z=Vo/Eac/Vp), используя заданные или рассчитываемые значения Vo и Eac. циклор АСУ здания периодически опрашивает датчики всех концевых регуляторов и считывает значения расхода приточного воздуха, определяет требуемый расход воздуха на вентиляцию Vo и величину вентиляционной составляющей для каждого помещения. По этим данным циклор рассчитывает общий расход первичного воздуха (Vpt=Ј Vp), общую потребность подачи вентиляционного воздуха (Von=Ј Vo), среднее значение вентиляционной составляющей (X=Von/Vpt), критическое значение вентиляционной составляющей Z=max(z) и, используя эти величины, рассчитывает вентиляционную эффективность системы (Ev=1+XZ) и соответствующее значение расхода наружного воздуха (Vot=Von/Ev). DDC регулятор приточной камеры устанавливает положение клапанов, обеспечивающее поддержание указанной величины Vot.

Экономическая целесообразность
Базовая схема настройки вентиляции позволяет уменьшить количество подаваемого воздуха в соответствии с реальной потребностью и тем самым уменьшить эксплуатационные расходы. Окупает ли это затраты на систему автоматики? Это зависит от типа здания и его местоположения. Например, для Майами экономия энергии за счет оптимального регулирования составляет 8 %, для здания такого же типа в Торонто или в Миннеаполисе эта величина достигает 30 %. Рациональную область применения рассмотренных систем и реальную экономию можно определить на основе техникоэкономического анализа.

Другие условия
Как было показано выше, при проектировании систем вентиляции с переменным расходом воздуха можно добиться эффективной вентиляции при экономичности эксплуатационных затрат. Следует ли уделить внимание решению какихлибо других вопросов? Да, безусловно.

Защита от замерзания и перемешивание потоков
Эффективные VAVсистемы при неполной тепловой нагрузке подают приточный воздух с большим содержанием наружного. В холодную погоду температура смеси наружного и рециркуляционного воздуха близка к температуре наружного воздуха. В объеме венткамеры может возникнуть температурное расслоение; при отрицательной температуре возможно замерзание воды в теплообменниках. Защита от замораживания осуществляется разными способами. Например обеспечение непрерывной циркуляции воды, добавление гликоля, использование обводных клапанов для предотвращения протекания холодного воздуха через теплообменники и предварительное смешение с рециркуляционным. но обеспечение равномерности при смешении потоков воздуха с большой разницей температур вызывает затруднения. Применение эффективных смесителей обычно связано с увеличением размера (длины) приточной камеры и повышением требуемой мощности вентиляторов. В качестве альтернативы предлагается использовать предварительный подогрев наружного воздуха перед смешением.

Измерение расхода воздуха
Для регулирования системы вентиляции с переменным расходом необходимо постоянное измерение количества наружного воздуха. Различные косвенные способы измерений (отслеживание режима работы вентилятора, использование термоанемометров [4] ) не могут обеспечить заданную точность (10 %), необходимую для регулирования. Установки для прямого измерения поля скоростей в воздушных потоках дают необходимую точность, но их стоимость высока изза необходимости монтажа и калибровки на месте. Кроме того, для них требуется иметь достаточно длинные прямые участки воздуховодов. Могут быть использованы специальные схемы подключения вентиляторов с измерением скорости вращения, но это тоже дорогостоящий способ.

Возможно использовать мерные сопла, если геометрия смесительной камеры позволяет производить точное измерение статического давления. Если приточные установки на заводах изготовителях оснащаются устройствами для измерения расхода наружного воздуха это, удовлетворительное решение с точки зрения цены и точности измерения. В последнее время измерители расхода в приточных камерах заводского изготовления, основанные на замерах перепада статического давления, позволяют производить измерения даже при весьма небольших скоростях движения потока. Для их установки не требуется длинных прямых участков и достаточно весьма небольшого перепада статического давления; при этом точность измерения не зависит от температуры воздуха. Современные датчики давления позволяют осуществлять измерения расходов с погрешностью меньше 10 % от фактического значения во всем диапазоне изменения расходов наружного воздуха (от 100 % при расчетной нагрузке на систему до 5 % при частичной нагрузке).

Поддержание избыточного давления в здании
Обеспечение небольшого избыточного давления в помещениях, особенно во влажном климате, повышает комфортность и позволяет избежать проблем, связанных с проникновением бактерий и загрязнений извне. Поддержание расхода наружного воздуха на некотором постоянном уровне позволяет обеспечить равномерное распределение давлений по зданию независимо от общего количества воздуха, перемещаемого системами вентиляции. но снижение объема наружного воздуха при неполной нагрузке системы (в соответствии с вышеописанным) может привести к недопустимому снижению давления. В связи с этим VAVсистемы с автоматической настройкой расхода наружного воздуха необходимо дополнять устройствами контроля давления воздуха в помещениях.

Переохлаждение помещений при работе системы с частичной нагрузкой
В помещениях, обслуживаемых VAVсистемами, поддерживается заданная относительная влажность при низкой температуре точки росы приточного воздуха. Если в помещении требуется незначительное охлаждение, концевой VAVраспределитель фиксирует объем приточного воздуха на минимуме, хотя при этом холодопроизводительность системы может быть выше требуемой. В этом случае помещение переохлаждается, а относительная влажность внутреннего воздуха возрастает. Чтобы избежать переохлаждения и привести холодопроизводительность системы в соответствие с нагрузкой, требуется подогрев приточного воздуха. Другими словами, в системе необходимы концевые подогреватели, причем не только для холодного периода, но и в течение всего года.

Некоторые проектировщики задают заведомо повышенную температуру приточного воздуха для таких режимов. Для множественных климатических районов схема регулирования температуры притока должна включать датчик относительной влажности рециркуляционного воздуха или ограничитель по температуре точки росы. Следует помнить, что если температура приточного воздуха по сухому термометру возрастает, то температура точки росы может также увеличиться. Если не вводить ограничения по влажности рециркуляционного воздуха, это может привести к недопустимому повышению относительной влажности в обслуживаемом помещении.

Выводы
Одноканальные системы вентиляции с переменным расходом следует проектировать с учетом требований, изложенных в Стандарте 621989 и с использованием приведенного в нем уравнения многозональной вентиляции .

Поскольку объем приточного воздуха, подаваемый системами, варьируется в зависимости от тепловой нагрузки, содержание наружного воздуха также следует изменять в соответствии с реальной потребностью, в зависимости от количества людей в помещениях. Откажитесь от жесткой фиксации воздушных клапанов!

Регулирование объема наружного воздуха, подаваемого системой, позволяет добиться экономичности энергозатрат при неполной тепловой нагрузке.

Список использованной литературы
ANSI/ASHRAE Стандарт 62198 Обеспечение качественного микроклимата в помещениях средствами вентиляции , стр. 1 Warden, D. 199 Наружный воздух расчет и подача в помещение . ASHRAE Journal (3 5: 546 Ke, Y.P., S.A.Mumma, 199 Обобщенное уравнение многозональной вентиляции применительно к VAVсистемам с различными типами концевых распределителей . ASHRAE Transactions 102( :18319 Kettler, J.P. 199 Контроль минимального объема вентиляционного воздуха в VAVсистемах , ASHRAE Journal (4 5:455 Сведения об авторе
Деннис А. Станке инженер компании Worldwide Applied Systems Group of The Trane Company , г. Лакросс, Висконсин. Работает в Комитете по разработке Стандартов ASHRAE , и является членом и членомкорреспондентом других комиссий и комитетов этой ассоциации (ASHRAE Technical Committee 1.4, Control Theory and Applications, TC 9.7, Testing and Balancing, TC 5.2, Duct Design, IAQ'98 Steering Committee).