Работа системы вентиляции с переменным расходом воздуха
Представьте, что вы хотите установить в квартире систему вентиляции. Расчеты показывают, что для нагрева приточного воздуха в холодное время года потребуется калорифер мощностью 4,5 кВт (он позволит нагревать воздух от -26°С до +18°С при производительности вентиляции равной 300 м³/ч). Подача электроэнергии в квартиру производится через автомат на 32А, поэтому несложно подсчитать, что мощность калорифера составляет около 65% от общей мощности, выделенной для квартиры. Это означает, что такая система вентиляции не только существенно увеличит суммы счетов за электроэнергию, но и перегрузит электросеть. Очевидно, что устанавливать калорифер такой мощности не представляется возможным и его мощность придется уменьшить. Но как это сделать это без снижения уровня комфорта обитателей квартиры?
Система с переменным расходом воздуха или VAV (Variable Air Volume) система позволяет регулировать подачу воздуха в каждом помещении независимо друг от друга. С такой системой вы можете отключать вентиляцию в любой комнате точно так же, как привыкли выключать свет. Действительно, ведь мы не оставляем гореть свет там, где никого нет — это было бы неразумной тратой электроэнергии и денег. Зачем же позволять напрасно тратить энергию системе вентиляции с мощным калорифером? Однако традиционные системы вентиляции именно так и работают: подают нагретый воздух во все помещения, где могли бы находиться люди, независимо от того есть ли они там на самом деле. Если бы мы управляли светом точно так же, как традиционной вентиляцией — он бы горел сразу во всей квартире, даже ночью! Несмотря на очевидное преимущество VAV систем, в России, в отличие от западной Европы, они пока не получили широкого распространения, отчасти потому, что для их создания требуется сложная автоматика, которая существенно увеличивает стоимость всей системы. Однако стремительное удешевление электронных компонентов, которое происходит в последнее время, позволило разработать недорогие готовые решения для построения VAV систем. Но прежде, чем переходить к описанию примеров систем с переменным расходом воздуха, разберемся, как они работают.
На иллюстрации показана VAV-система с максимальной производительностью 300 м³/ч, обслуживающая две зоны: гостиную и спальню. На первом рисунке подача воздуха производится в обе зоны: 200 м³/ч в гостиную и 100 м³/ч в спальню. Допустим, что зимой мощности калорифера будет недостаточно для нагрева такого потока воздуха до комфортной температуры. Если бы мы использовали обычную систему вентиляции, то нам пришлось бы снизить общую производительность, но тогда в обоих помещениях стало бы душно. Однако у нас установлена VAV-система , поэтому днем мы можем подавать воздух только в гостиную, а ночью — только в спальню (как на втором рисунке). Для этого клапаны, регулирующие объем подаваемого в помещения воздуха, оборудуются электроприводами, которые позволяют с помощью обычных выключателей открывать и закрывать заслонки клапанов. Таким образом, нажав на выключатель, пользователь перед сном отключает вентиляцию в гостиной, где ночью никого нет. В этот момент дифференциальный датчик давления, который измеряет давление воздуха на выходе приточной установки, фиксирует увеличение измеряемого параметра (при закрывании клапана сопротивление воздухопроводной сети возрастает, приводя к увеличению давления воздуха в воздуховоде). Эта информация передается в приточную установку, которая автоматически снижает производительность вентилятора ровно на столько, чтобы давление в точке измерения оставалось неизменным. Если же давление в воздуховоде остается постоянным, то и расход воздуха через клапан в спальне не изменится, и по-прежнему будет составлять 100 м³/ч. Общая производительность системы снизится и также будет равна 100 м³/ч, то есть ночью потребляемая системой вентиляции энергия уменьшится в 3 раза без ущерба для комфорта людей! Если включать подачу воздуха попеременно: днем в гостиную, а ночью в спальню, то максимальную мощность калорифера можно будет сократить на треть, а среднюю потребляемую энергию — в два раза. Самое интересное заключается в том, что стоимость такой VAV-системы превышает стоимость обычной системы вентиляции всего на 10–15%, то есть эта переплата будет быстро компенсирована за счет снижения суммы счетов за электроэнергию.
Лучше понять принцип работы VAV-системы поможет небольшая видеопрезентация:
Теперь, разобравшись с принципом работы VAV-системы , посмотрим, как можно собрать такую систему на основе имеющегося на рынке оборудования. За основу мы возьмем российские VAV-совместимые приточные установки Breezart, которые позволяют создавать VAV-системы, обслуживающие от 2 до 20 зон с централизованным управлением с пульта, по таймеру или датчику СО2.
Эта VAV-система собрана на базе приточной установки Breezart 550 Lux производительностью 550 м³/ч, которой достаточно для обслуживания квартиры или небольшого коттеджа (с учетом того, что система с переменным расходом воздуха может иметь меньшую производительность по сравнению с традиционной системой вентиляции). Эту модель, как и все остальные вентустановки Breezart, можно использовать для создания VAV-системы . Дополнительно нам понадобится набор VAV-DP, в который входит датчик JL201DPR, измеряющий давление в канале воздуховода возле точки разветвления.
Вентиляционная система разделена на 2 зоны, причем зоны могут состоять как из одного помещения (зона 1), так и из нескольких (зона 2). Это позволяет использовать подобные 2-х зонные системы не только в квартирах, но также в коттеджах или офисах. Управление клапанами каждой зоны производится независимо друг от друга с помощью обычных выключателей. Чаще всего такая конфигурация используется для переключения ночного (подача воздуха только в зону 1) и дневного (подача воздуха только в зону 2) режимов с возможностью подачи воздуха во все помещения, если, к примеру, к вам пришли гости.
Регулирование систем вентиляции с переменным расходом воздуха (VAV) базируется на трех главных принципах:
— Обеспечение требуемого воздухообмена во всех помещениях здания во всем диапазоне нагрузок. В основе этого требования лежат субъективные ощущения комфорта людей и стандарты качества внутреннего воздуха, например, стандарт [1] или другие аналогичные документы.
— Сокращение расхода энергии. Необходимо, чтобы регулирование системы обеспечивало минимальные энергозатраты, величина которых связана прежде всего с расходом кондиционируемого наружного воздуха. Важно, чтобы расход наружного воздуха не превышал необходимой нормы.
— Доступность и надежность технических средств и программного обеспечения, необходимая конфигурация схемы системы вентиляции. Система регулирования должна безотказно работать длительное время, быть удобна в эксплуатации.
Обеспечение требуемого воздухообмена
Расход приточного воздуха для систем с переменным расходом воздуха определяется в зависимости от текущей тепловой нагрузки помещения. Следует иметь в виду, что в проект обычно закладывается постоянное максимальное значение воздухообмена, без учета изменения тепловой нагрузки. Проблема состоит в том, чтобы обеспечить необходимый воздухообмен во всем диапазоне нагрузок без перерасхода энергии. Таким образом, именно принципы регулирования системы вентиляции оказывают существенное влияние как на воздухообмен, так и на энергопотребление. Здесь приводится анализ производительности воздухораспределения системы-VAV при различных способах регулирования для конкретного примера переменной тепловой нагрузки. В результате анализа определяется оптимальный принцип регулирования, надежно обеспечивающий требуемый (но не максимальный) воздухообмен.
Рассмотрим простую систему вентиляции с переменным расходом воздухом (рис. 1). Каждый воздухораспределитель-VAV подобран из условий подачи максимального расхода приточного воздуха, 472 л/с, что соответствует проектной тепловой нагрузке. Нормы расхода наружного воздуха для каждого помещения определяются в соответствии с его размером, типом и назначением и составляют по 94 л/с для двух помещений и 142 л/с для третьего. Суммарный расход наружного воздуха — 330 л/с составляет 23% от расхода приточного воздуха 1 416 л/с. Для обеспечения потребности помещения с максимальной нагрузкой необходимая доля наружного воздуха составляет30%.
Доля наружного воздуха в приточном одинакова для всех помещений — это означает, что два первых помещения получают больше наружного воздуха, чем необходимо. Избыточное количество наружного воздуха попадает в рециркуляционный поток. В данном случае 23% — усредненное (нескорректированное) соотношение наружного и приточного воздуха.
Стандарт [1] содержит нормативный метод расчета вентиляции нескольких помещений, обслуживаемых общей системой с переменным расходом. В стандарте учитываются типы помещений и эффективность распределения воздуха между помещениями, приводится формула для расчета потребности в наружном воздухе для каждого конкретного режима:
Y=X/[1+X-Z], (1)
где:
Z — доля наружного воздуха в приточном воздухе для «критической» зоны, т. е. зоны с наибольшей потребностью в вентиляции (иногда эту величину называют Z-фактор);
X — усредненное значение наружного воздуха в приточном, т. е. сумма минимально необходимого расхода наружного воздуха для всех помещений, отнесенная к общему воздухообмену;
Y — расчетная доля наружного воздуха в общем воздухообмене. Эта величина меньше Z, т. к. подразумевается использование «избыточного» количества наружного воздуха, содержащееся в рециркуляционном воздухе из помещений с меньшей потребностью в вентиляции.
Покажем, как использовать формулу (1) для’системы на рис. 1.
Рассчитаем расход наружного воздуха для каждого помещения, при этом максимальное значение принимается как критическое (Z-фактор).
Для рассматриваемого примера:
г=142/472л/с=0,3;
Х=(94+94+142)/141б л/с=330/ 141бл/с=0,23.
Тогда Y=X/[1+X-Z] = 0,23/[1+0,23-0,3]=0,23/0,93=0,25.
Это означает, что для рассматриваемого режима 25% приточного воздуха (ПВ) составляет наружный воздух (НВ). Далее определяем, что 25% от 1 416 л/с составляет 354 л/с наружного воздуха -это необходимый объем наружного воздуха для вентиляции помещений в расчетном режиме.
Пример расчета системы на различную нагрузку, приведенный в табл. 1 и 2, послужит основой для нашей оценки различных принципов регулирования вентиляции с позиции энергосбережения.
С левой стороны приведены значения тепловых нагрузок — максимальная (расчетная) и два варианта частичной. Доля наружного воздуха в приточном определена для каждого помещения как частное от деления величины расхода наружного воздуха на величину расхода приточного воздуха. Наконец, используя понятие «критической» зоны, по формуле (1) определены значения содержания наружного воздуха в системе согласно [1] для всех
уровней тепловой нагрузки:
- 25% (354 л/с) при расчетной нагрузке;
- 34% (340 л/с) при частичной нагрузке 1 уровня;
- 67% (440 л/с) при частичной нагрузке
2 уровня.
Обеспечение минимума наружного воздуха
Сравним требования к подаче наружного воздуха согласно стандарту [1] с широко распространенной схемой регулирования по принципу фиксации клапанов воздухозаборных устройств на минимальную долю наружного воздуха (табл. 1). В данном случае суммарная потребность наружного воздуха в системе в расчетном режиме составляет 330 л/с, или 23%. Однако эта величина меньше минимального значения, определенного стандартом. По мере снижения тепловой нагрузки помещения доля наружного воздуха в приточном воздухе при этом способе регулирования еще сильнее отличается от требований стандарта.
Такой способ контроля подачи наружного воздуха в системе не отвечает приведенному стандарту и поэтому неприемлем для любых систем вентиляции, обслуживающих несколько помещений, в том числе и для систем-VAV. Здесь он приводится как пример неудачного решения.
Фиксация клапанов на максимальную долю наружного воздуха
Возможен вариант такой фиксации клапанов воздухозаборных устройств, которая обеспечит требования стандарта. Это достигается путем фиксации воздухозаборных клапанов в положении, соответствующем максимально возможному содержанию наружного воздуха. В рассматриваемом примере 67% наружного воздуха соответствует частичной тепловой нагрузке 2 уровня. Такое содержание наружного воздуха в приточном во всех случаях удовлетворяет требованиям стандарта, обеспечивая вентиляцию всех зон при любых нагрузках. Однако, как показано в табл. 1, при прочих уровнях тепловой нагрузки подача наружного воздуха является избыточной, что приводит к перерасходу энергии и соответствующих эксплуатационных затрат.
Максимум наружного воздуха при регулировании воздухозабора
Приведенный выше результат может быть улучшен путем введения возможности измерения расхода наружного воздуха. Максимум наружного воздуха при регулировании воздухозабора означает такой принцип регулирования, который не сводится к простой фиксации клапанов. Расходомерное устройство контролирует объем наружного воздуха (440 л/с) для данного примера. Когда общий воздухообмен в системе изменяется, независимый от давления контур регулирования воздействует на клапан таким образом, чтобы расход наружного воздуха оставался равным 440 л/с. Это позволяет обеспечивать требования данного стандарта по наружному воздуху для всех вариантов нагрузок, при этом избыточная вентиляция уменьшается по сравнению с предыдущим случаем.
Хотя такой принцип регулирования значительно уменьшает поступление в систему наружного воздуха, в определенные периоды (в данном примере это расчетный и частичная нагрузка 1 уровня) подача наружного воздуха все же превышает необходимую: например, 440 л/с вместо 354 л/с в расчетном режиме. Отсюда следует, что потенциальная возможность улучшения системы регулирования состоит в динамическом контроле и изменении объема приточного воздуха, исходя из текущих (а не наихудших) условий.
Принцип контроля и настройки расхода наружного воздуха
Использование возможностей цифровой системы прямого регулирования (системы-DDC) позволяет обеспечить требования стандарта [1] путем динамического подбора расхода наружного воздуха на основе текущих требований для каждой зоны. Первым шагом является определение для каждого воздухораспределителя системы-VAV содержания наружного воздуха путем деления санитарной нормы для данной зоны на общий расход воздуха в системе. Контроллер приточной камеры определяет общий расход воздуха и «критическое» помещение по данным всех воздухораспределителей системы-VAV. Используя «критическое» значение доли наружного воздуха, контроллер может определить соответствующее количество наружного воздуха для всей системы и отрегулировать наружный воздухозабор.
Такой способ, называемый «подбор расхода наружного воздуха» или «настройка воздухозабора», обеспечивает наиболее точное регулирование системы вентиляции. При использовании настройки воздухозабора в здание поступает только требуемое для данного теплового режима количество наружного воздуха.
Обратимся к табл. 1 для оценки этого принципа регулирования. Крайний правый столбец содержит данные для этого варианта. Сравним их с данными первого столбца, содержащего нормативные требования. Как видим, при динамическом расчете вентиляции в каждое помещение поступает именно требуемое количество наружного воздуха, без избытков. Таким образом, мы получили систему-VAV, обеспечивающую нормативные требования к вентиляции без излишних затрат.
Результаты сравнения
Принципы регулирования систем вентиляции оценивались с позиции обеспечения нормативных требований и минимума затрат. Показано соответствие этим критериям системы регулирования с настройкой воздухозабора. Однако проектировщик должен принимать во внимание также размеры воздухораспределителей системы-VAV, наличие технических (компьютерных) средств и программного обеспечения, необходимого для реализации этого способа, а также надежность и эксплуатационные возможности системы регулирования.
Оборудование и программное обеспечение, входящее в типовую систему DDC/VAV, обеспечивают сбор данных, необходимых для настройки воздухозабора.
Воздухораспределители системы-VAV и контроллеры приточной камеры выполняют мониторинг и/или контроль параметров, необходимых для расчетов по формуле (1). АСУ здания использует эту информацию для расчета расхода наружного воздуха в режиме реального времени.
Один компонент обычно не входит в комплектацию системы-DDC/VAV: это средства для измерения и контроля расхода наружного воздуха, поступающего в систему. При отсутствии таких средств система лишь регулирует положение клапанов воздухозаборных устройств. Но при колебаниях перепада давлений в сечении воз-духозаборного отверстия расход наружного воздуха также меняется. Добавление средств измерения воздухозабора позволяет осуществлять настоящий контроль расхода наружного воздуха, а не только установку клапанов. Для рассмотренных условий применения (не требующих специальных средств регулирования) многие фирмы-производители систем ОВК с автоматикой поставляют экономически эффективные системы вентиляции с независимым от давления регулированием расхода наружного воздуха. Компоновка такой системы показана на рис. 2.
Применение системы-DDC/VAV, ориентированных на расчеты по формуле (1), требует корректного подбора вентиляционного оборудования с учетом реальных условий в помещении.
Так, если размер воздухораспределителей системы-VAV существенно завышен, полный расход приточного воздуха для некоторых помещений может оказаться равен расходу наружного воздуха, а расчеты для других зон при этом могут дать очевидно нереальную величину более 100% наружного воздуха.
Даже при корректном подборе оборудования, программного обеспечения и средств шумоглушения эффективная работа системы зависит от надежности регулирования и способности эксплуатационного персонала разобраться в схеме регулирования и обеспечить ее долговременное использование. К счастью, у проектировщиков есть возможность выбора поставщиков оборудования, готовых решить все практические задачи.
