Слов о больших системах вентиляции

Аналогично предложенной схеме функционирует схема СКВ на базе приточно-вытяжной вентиляции и системы чиллер-фэнкойл. Чиллер или холодильная машина служит для подготовки охлажденной воды, а уже охлажденная вода по трубопрорводам раздается по всему зданию для охлаждения воздуха в приточных камерах (центральных кондиционерах) или непосредственно в помещениях.
Последняя СКВ относиться уже к центральному кондиционированию, но так же обеспечивает и подержание климатических параметров в каждом помещении, но при этом на все здание или комплекс помещений устанавливается один чиллер для подготовки холодной или теплой воды, которая потом используется вентиляторными доводчиками или фэнкойлами, установленными в каждом помещении и отвечающими за температурный режим. Наружный воздух может подаваться как централизованно, так и независимо в каждое отдельное помещения, если применены фэнкойлы канального типа, которые допускают обработку наружного воздуха. Эта схема наиболее распространена на Западе, особенно в крупных зданиях. (Уровень западной экономики и ее акценты требовал и позволял строить подобные инженерные системы, не только в промышленных, но и в жилых и общественных зданиях).
Преимущества подобной системы в ее долговечности (20-30 лет - расчетные сроки эксплуатации) и возможности самых различных комбинаций по топологии и мощностей, удаленность фэнкойла (обслуживаемого помещения) может быть практически любая, в отличие от фреоновых систем, где длинна трассы редко превышает 150 метров и на очень крупных объектах это решительное ограничение. Важным преимуществам является и то можно рассчитывать системы, которые могут снять пиковые нагрузки, без увеличения производительности самого чиллера, для этого достаточно подобрать соответствующий бак аккумулятор в котором накапливается расчетный запас холодной воды, классический пример - ночной режим работы, когда чиллер работает на аккумуляторный бак ночью, когда доступна вся электрическая мощность, а тарифы на электрическую энергию снижены. При том, что коэффициент потребленной электрической энергии - COP у фреоновых систем выше, итоговые эксплуатационные расходы у СКВ на базе чиллера могут оказаться ниже, а также первоначальные капитальные затраты на всю систему.
Важно и то, что при использования СКВ на базе чиллер-фэнкойл можно не строить систему отопления, т.к. обогрев помещений произведут все те же комнатные фэнкойлы, причем в особо точном температурном режиме, для этого достатоно предусмотреть источник тепла, в водяном контуре системы кондиционирования, это может быть автономный котел или теплообменник от центральной теплоснабжающей магистрали.

Чиллер с воздушным охлаждением

Комнатный фэнкойл

Канальный фэнкойл - с притоком наружного воздуха

Мы же вернемся к более общему принципу организации СКВ, когда воздух в помещения подается от одного воздухообрабатывающего агрегата или центрального кондиционера (кондиционера с приточным воздухом), как наиболее общего случая с максимальным набором возможностей. Итак, если нет в помещениях выделения вредностей (в административных и жилых зданиях) в целях экономии применяют рециркуляцию. Ниже приведена принципиальная схема подобной системы.

Рис.4.

При такой организации приточная установка забирает определенный объем воздуха Vн. Из внешней среды, часть воздуха забирает из обслуживаемого помещения - Vр, смешивает эти потоки и обрабатывает и подает во внутренние помещения - Vп=Vн+Vр. Далее подаваемый приточный воздух необходимо распределить по обслуживаемым помещением добиваясь нормированной скорости в рабочей зоне и с учетом максимального эффекта перемешивания или вытеснения внутреннего воздуха. Этот классическая организация система кондиционирования воздуха. Подобная система позволяет поддерживать любые климатические параметры, о которых говорилось выше, или только часть из них по необходимости, в случае выделения вредностей, рециркуляция может быть уменьшена или полностью отсутствовать, в таком случае весь поступающий воздух в помещение будет наружным, также можно будет исключить рециркуляцию и в летний период, когда нет необходимости тратить энергию на догрев поступающего воздуха.
И наконец вернемся к функциональным возможностям или обязанностям, как будет угодно, СКВ. Кроме подачи и фильтрации наружного воздуха для поддержания всех климатических параметров СКВ должна уметь нагревать, охлаждать, увлажнять или осушать воздух, а так же его распределить необходимым образом. Как это осуществляется технически рассмотрим на примере центрального кондиционера или центральной приточной установки.
Нагрев - осуществляется электрическим калорифером или водяным (паровым) нагревателями. Для нашей климатической зоны мощность калорифера, исходя из заданного расхода наружного воздуха, определяется приблизительно из расчета 15 кВт. на каждую тысячу м3 - немалое значение. Поддержание температуры осуществляется в первом случае ступенчатым регулированием мощности электрического нагрева или изменением расхода горячей воды или пара.
Охлаждение - процесс охлаждения воздуха происходит в секции охлаждения, которая может представлять водяной радиатор, в котором протекает холодная вода или другой хладагент (допустим незамерзающая смесь воды и гликоля), контролируя расход хладагента, можно контролировать степень охлаждения воздуха. Также секция охлаждения может представлять собой радиатор, в котором происходит кипение фреона, т.е. по сути это испаритель кондиционера (см.Принцип действия кондиционера) поступающего из компрессорно-конденсаторного блока. Степень охлаждения воздуха регулируется дискретным включением компрессора воздушно-конденсаторного блока, таким образом точно поддерживать температуру приточного воздуха невозможно, что накладывает иногда ограничения на использование такого метода. Охлаждение воздуха возможно также в процессе адиабатического увлажнения воздуха в камере орошения. Камера орошения представляет собой камеру в которой установлены форсунки распыляющие воду, испарясь вода забирает тепло у воздуха, при этом его увлажняет. контролировать температуру воздуха при таком методе сложно (только температурой воды) при этом не контролируется влажность, поэтому этот метод редко используется в качестве основного. Позже мы подробнее рассмотрим подготовку хладагента для секции охлаждения.
Осушение - осушение воздуха или удаление из него паров воды возможно двумя методами.
Первый основан на адсорбционном методе. Этот метод основан на сорбционных (влагопоглощающих) свойствах некоторых веществ - сорбентов. Имея пористо-капиллярную структуру, сорбенты извлекают водяной пар из воздуха. По мере насыщения сорбента влагой эффективность осушения снижается. Поэтому сорбент нужно периодически регенерировать, т.е. выпаривать из него влагу путем продувания потоком горячего воздуха. Секция осушения построенная по такому методу, как правило, представляет собой ротор половина которого проходит через приточный воздух, а вторая половина через камеру восстановления, в которой сорбент отдает влагу. Второй метод конденсаторный, основан на он охлаждения воздуха ниже точки росы, когда происходит конденсация водяных паров в жидкую фракцию.Охлажденный воздух при этом нагревают потом до необходимой температуры. Так как процесс нагревания и охлаждения так или иначе уже востребованы в СКВ, то второй метод более распространенный.
Увлажнение - возможно двумя способами. Непосредственным добавлением водяного пара в приточный воздух - пароувлажнение. Поддержание влажности осуществляется путем контроля расхода водяного пара. Недостатком данного метода является высокая энергозатратность, связанная с подготовкой пара путем нагрева воды до испарения.
Второй способ основан на адиабатическом увлажнение в оросительной камере, принцип которой мы уже рассмотрели выше. При определенной температуре воздух может впитать строго определенное количество влаги, контроль увлажнения осуществляется путем регулирования температуры воздуха поступающего в камеру орошения., после прохождения камеры воздух может быть нагрет при необходимости. Данный метод получил наибольшее распространение из-за технологической простоты и энергоэффективности.

Рис.5.

Выше приведена принципиальная схема и типичный внешний вид центрального кондиционера или приточной установки с полным набором функций. Порядок работы установки следующий наружный воздух смешиваясь с рециркуляционным из помещения (если это возможно и необходимо) поступает на фильтр необходимой степени очистки, далее поступает в секцию первого подогрева, в которой он нагревается в зимний период до температуры необходимой для камеры орошения, чтобы вобрать строго определенное количество влаги, (секция охлаждения зимой не задействована и не оказывает никакого влияния на приточный воздух), далее в камере орошения воздух впитывает влагу, при этом охлаждаясь (тепло уходит на испарение воды), и поступает на второй подогрев на котором он нагревается до необходимой температуры, если потребуется. В летний период наружный воздух требуется охладить и как правило осушить. Поступающий приточный воздух проходит сквозь неработающую секцию предварительного подогрева и поступает на секцию охлаждения, где охлаждается до температуры ниже точки росы для установленного влагосодержания, далее на каплеотделителе осядут капли конденсируемой влаги и воздух поступи т на второй подогрев, где и нагреется до заданной температуры, если таковое необходимо. Если в помещениях нет необходимости контроля влажности, то секции увлажнения и второго подогрева просто отсутствуют, такие установки вполне подойдут для административных или жилых зданий, где влажность не столь важна или может быть поддержана другими способами (как правило только в зимний период необходимо увлажнение, а летом в процессе охлаждения воздуха он частично осушается). Для промышленных же помещений, необходим полный комплект. Так в полиграфической или электронной промышленности контроль климатических параметров особенно важен, и там применяются именно такие центральные кондиционеры (так как в большинстве случаев рециркуляция нежелательна). СКВ на базе центрального кондиционера имеет и свои недостатки, основные конечно связанны со сложностью распределения приточного (обработанного) воздуха по помещениям. Сложность состоит в том, что в каждом отдельном помещение необходимо поддерживать заданные параметры, а центральный кондиционер доводит параметры обработанного воздуха до определенных значений ориентируясь как правило на помещение с усредненными параметрами или самое большое, а поддержание параметров климата в других помещениях осуществляется с меньшей точностью, путем выставления определенного расхода воздуха. Когда помещения сильно отличаются друг от друга по влаго- или тепловыделением применение центрального кондиционера может оказаться не лучшим решением. Классический пример - здание с фасадами на север и юг, тогда возникает ситуация, при которой в солнечный день нагревается южная сторона здания и в помещения по этой стороне необходимо подавать охлажденный воздух, но при этом в северной части охлаждение не нужно, а поступление свежего воздуха тем не менее должно быть всегда. В таком случае одним воздухообрабатывающим агрегатом не обойтись, если не применять зонального регулирования, суть которого сводиться к контролю климатических параметров в каждом помещении или группе помещений, путем управления центральным кондиционером в сочетание с регулированием расхода воздуха в каждом помещении. Т.е. подобная система в нашем классическом примере, система переключит центральный кондиционер в режим охлаждения и большую часть воздуха отправит в южные помещения, а в северных сократит расход воздуха до минимума, через некоторое время, когда в южном крыле параметры воздушной среды достигнут заданных параметров, система переведет центральный кондиционер в режим нагрева и максимальный поток будет направлен уже в северные помещения, при этом расход в южных помещениях сокращается до минимума. Применение центрального кондиционера с зональным регулированием в ряде случаев оправдано и позволяет сэкономить на капитальных вложениях, но описанный выше алгоритм работы, как видите, имеет свои недостатки и в ряде случаев такая СКВ не может быть применена, к тому же стоимость зонального регулирования иногда вполне сопоставима со стоимостью ряда независимых систем.
Нам же осталось рассмотреть способы воздухораспределения в самих помещениях.

Способы воздухораспределения
Мы уже определили, для нормального функционирования вентиляции или в более общем случае системы кондиционирования воздуха необходимо поддерживать определенный воздухообмен в помещении т.е. подавать определенное количество воздуха и одновременно удалять. Для транспортировки воздуха от места забора приточного воздуха до помещения и наоборот из помещения до места выброса используют сеть воздуховодов, такая схема вентиляции самая распространенная и называется канальной (по приточным и вытяжным каналам). Диаметры воздуховодов рассчитываются таким образом, чтобы они могли пропустить необходимый объем воздуха и при этом скорость потока в них была не выше предельно допустимой, выше которой шум потока превышает установленный уровень. Воздуховоды чаще всего делают из оцинкованной стали, при малых расходах и коротких сетях используют гибкие или полужесткие воздуховоды, реже пластиковые или воздуховоды из нержавеющей стали. В самом помещении воздух распределяется через воздухо-распределяющие устройства, тип воздухораспределяющих устройств определяется в зависимости от принятого воздухораспределения. Существует два основных метода - вентиляция вытеснением замещением и вентиляция перемешиванием.

Вентиляция перемешиванием - способ вентиляции, при котором свежий приточный воздух в помещение таким образом, что происходит его перемешивание с воздухом в помещении.

Рис.6.

Вентиляция перемешиванием

Воздухораспределительные устройства (решетки на стенах или потолочные диффузоры) для вентиляции перемешиванием подбираются с высокой степенью эжекции.

Эжекция - способность подмешивать в приточную струю прилегающий внутренний воздух (производить перемешивание)

Рис.7. Настенные решетки с высокой степени эжекции

Эжекция возможна только при достаточно высокой скорости потока на выходе воздухораспределительного устройства (более 0,2 м/с), а увеличение скорости потока при заданном расходе воздуха можно добиться при уменьшение площади отверстия выхода воздуха, поэтому при вентиляции перемешиванием воздухораспределительные устройства небольшие и соответственно недорогие, именно поэтому самый распространенный тип - вентиляция перемешиванием. Ограничения на применение эжекционных воздухораспределителей, вернее на желание весь расход выпустить из одного небольшого устройства, накладывает нормируемая скорость воздуха в рабочей зоне, которая должна быть, как мы уже говорили выше, превышать 0,2 м/с. Для обеспечения заданного расхода подбирается определенное количество воздухораспеределителей, так чтобы скорость воздуха в рабочей зоне была не выше номинальной.
Так как скорость потока падает по мере удаления от диффузора. Можно рассчитать скорость в рабочей зоне.
Важно также отметить, что при раздаче воздуха через потолочные диффузоры или решетки установленные в верхней части (Рис.7 а - настилающий эффект), необходимо поддерживать температуру приточного воздуха на градус меньше температуры помещения, иначе теплый воздух просто не опуститься в рабочую зону, а уйдет сразу в вытяжной диффузор.

Рис.8.

Вентиляция вытеснением.

Вентиляция вытеснением основана на вытеснении загрязненного или отработанного воздуха свежим приточным.

Рис.9.

При этом способе вентиляции чистый воздух подают в нижнюю часть помещения через специальная низкоскоростные воздухораспределители и нагреваясь подымается вверх вытесняя отработанный воздух.
Этот способ вентиляции часто применяется в помещениях с выделениями вредностей т.к. при этом способе среднее время жизни воздуха в помещении минимально т.е. полная замена происходит быстрее, чем при вентиляции перемешиванием, при том же расходе приточного воздуха. Имеет смысл применять сей меетод и при кондиционировании высокого помещения (повыше 3 метров). в таком случае достаточно будет поддерживать заданную температуру только в рабочей зоне (до 1,8 м), а не во всем объеме, а этот приведет к ощутимой экономии энергии. Неудобство данного метода связанны с тем, что низкоскоростные воздухораспределители (эжекции нет) достаточно большие и дорогие, занимают место в полезном объеме, а также надо учитывать, что в реальном помещении перемещаются люди, техника, могут возникать сквозняки, а это уже приводит к перемешиванию воздуха, т.е. чистого замещения все равно не достичь.

Остается добавить, что устройства воздухораспределения могут быть приточными и вытяжными т.к. на разные задачи и конструкция своя, хотя есть и универсальные распределители (допустим решетки они все универсальные.)

Приточный Диффузор

Вытяжной диффузор

Универсальный диффузор

Решетка настенная

Решетка потолочная

Существует также схема вентиляции без применения воздуховодов - бесканальная вентиляция.
Как правило это больше относиться к вытяжным системам, так вытяжную вентиляцию больших промышленных помещений, ангаров организуют на базе крышных вентиляторов, которые устанавливаются на кровлю и вытягивают воздух непосредственно из помещения под кровлей.
Вентиляторы, как приточные так и вытяжные могут быть установлены и в стенах или оконных проемах, единственное, что такие системы явно не относятся к системам способных поддерживать климатические параметры, они призваны не дать задохнуться.