Бесканальные системы переменного воздушного объема (VAV).

До 1970 года в системах кондиционирования воздуха для регулирования температуры помещения использовались системы воздухораспределения с постоянным объемом. Затем переменный воздушный объем (VAV) революционизировал систему кондиционирования воздуха зданий. Сегодня им на смену приходят «бесканальные системы с переменным воздушным объемом».

Эти системы имеют потенциал для дальнейшего улучшения комфорта и уменьшения энергозатрат, в то же время обеспечивая более приемлемую и гибкую систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Дополнительные преимущества включают в себя более удобное расположение, улучшенное качество воздуха, сниженные затраты за срок службы и, возможно, сниженные капитальные затраты.

Бесканальные системы VAV бывают двух типов: проходящие под полом и под потолком. Обе системы заменяют систему воздуховодов широкими воздушными линиями, поэтому мы будем называть их системами воздушных линий. Обе системы работают под низким статическим давлением, которое уменьшает утечку воздуха и экономит электроэнергию. Статическое давление в 12,5 Па признано эффективным в современных системах воздушных линий, проходящих под полом. Системы воздушных линий под полом.

Система воздушных линий, проходящих под полом, используется в сочетании с фальшполом (Рис. 1). Пространство под полом используется как подвод воздушной линии (в нем также размещаются источник электроэнергии, телевизионные кабели и другие технические элементы). Диффузоры подают кондиционированный воздух на уровне пола в зону дневного пребывания людей, которая определена стандартом 55-1992 ANSI/ASHRAE (Национального института стандартизации США и Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), а также «Tермальными условиями окружающей среды для работы в помещении», и равняется вертикальному пространству от 10 до 170 см над полом. После индуцированного смешивания в воздух поступает тепло и загрязняющие вещества из помещения. Естественная конвекция переносит теплый, загрязненный воздух к потолку, где он возвращается к кондиционеру через потолочное пространство.

Рис. 1: Вертикальная проекция системы воздушных линий, проходящих под полом

«Канальные» системы требуют тщательных расчетов. Сложной задачей является поддержание бесперебойной работы систем кондиционирования воздуха и в то же время обеспечение всех структурных компонентов здания и его эстетических потребностей. Изменения в планировке здания во время строительных работ может повлиять на планирование систему воздуховодов и увеличить стоимость установки системы вентиляции. Система воздуховодов устанавливается только однажды, и вносить изменения непрактично, то есть можно найти компромисс между удобством и затратами энергии, если офисное помещение организовано по-новому.

В совершенной системе кондиционирования воздуха, проходящей под полом, диффузоры не только изменяют объем. Они также поддерживают устойчиво-скоростной профиль при всех нагрузках и потоках воздуха (Рис. 2). Это позволяет избежать уплотнения холодного воздуха, который негативно воздействует на некоторые системы кондиционирования воздуха, проходящие под полом, в условиях пониженной нагрузки, заставляя людей переживать ощущение «замерзших коленей». Уплотнение холодного воздуха вызвано неспособностью поддержать достаточную скорость воздушного потока, гарантирующую адекватное смешивание воздуха. Неустойчивость скорости также приводит к излишней термальной стратификации. Люди, находящиеся в помещении, могут одновременно испытывать неуютный холод в области колен и тепло в области головы. Диффузоры, которые могут поддерживать устойчиво-скоростной профиль воздушного потока, позволяют избежать этих проблем.

При потолочной системе используется двухуровневый потолок (Рис. 3). Более низкое пространство, между декоративным потолком и средним потолком, действует как приточная воздушная линия. Верхнее пространство, между средним потолком и панелью, действует как возвратная воздушная линия. Воздух подается в зону пребывания людей через специальные диффузоры VAV. Рециркуляционные решетки (которые могут быть частью диффузоров подачи воздуха) переносят воздух сквозь приточную линию к линии возвратного потока.

Декоративный потолок выполнен из традиционных материалов, из которых сделаны потолки многих современных деловых зданий. Средний потолок устанавливается так же, как и обычный прокладочный подвесной потолок, но сделан он из других материалов. Плитка для него выбирается звуконепроницаемая и достаточно дорогая. Обе решетки уплотнены, что гарантирует эффективность системы. Все материалы стандартные, изготовленные промышленным способом.

Потолочные системы воздушных линий используют диффузор и систему контроля для совершенствования работы системы переменного воздушного объема (VAV). Подвод воздушных линий функционирует при низком статическом давлении 12,5 Па, которое снижает потребление электроэнергии и уменьшает утечку воздуха, но не работает с традиционной модуляцией «объема» (то есть не поддерживает устойчивую скорость воздушного потока). Поэтому был разработан новый метод, который позволил позаимствовать достоинства системы воздушных линий и для потолочной системы подачи воздуха. Вместо «модуляции объема» используется «модуляция времени». Когда диффузор включен, он подает 100% воздушного потока с постоянной скоростью. Когда он выключен, то он подает 0% воздушного потока. При 100% нагрузке каждый диффузор будет включен 100% времени. При 50% нагрузке каждый диффузор будет включен только 50% времени, обеспечивая 50% охлаждения. Продолжительность цикла между положениями диффузора «включен» и «выключен» очень короткая, минимум шесть секунд, и люди не замечают изменений объема. По мере того как нагрузка изменяется в зоне пребывания людей, система контроля подсчитывает количество времени и последовательность действий для каждого диффузора. Таким образом, действие системы VAV совершенствуется, пока она поддерживает подачу воздуха с устойчивой скоростью.

Преимущества системы воздушных линий.

Системы воздушных линий, прокладываемые под полом и под потолком, имеют множество преимуществ по сравнению с потолочными системами вентиляционных каналов.

В системе воздушных линий диффузор можно расположить в любом месте в полу или в сетке потолка, упрощая план и расположение системы подачи воздуха. На рисунке 4 показана горизонтальная проекция двух потолочных систем VAV. Слева показана система каналов, a справа — система воздушных линий. Систему воздушных линий разработать легче и быстрее. Если элементы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, смонтированы на крыше здания, то система воздушных линий также обеспечивает большую гибкость в установке агрегата, потому что у нее нет ограничений по системе каналов.

Системы воздушных линий можно легко модернизировать на любой стадии монтажа и даже после введения в эксплуатацию. Диффузоры, электропроводка и термостаты, при необходимости заменяются и переставляются с минимальными трудовыми и финансовыми затратами.

Системы воздушных линий снижают потребление электроэнергии приточного вентилятора. Системы воздуховодов обычно требуют статического давления в отводных каналах 373 Па или больше. По сравнению с ними, обе системы воздушных линий требуют только 12,5 Па статического давления для подачи воздуха в помещение. Это может снизить энергию приточного вентилятора до 30%.

Одним из способов экономии энергии является использование преимущества термальной стратификации. В хорошо организованной системе воздушных линий, проходящей под полом, кондиционируется только зона дневного пребывания людей. Над этой зоной температура будет высокой (рис. 5), в отличие от хорошо смешанной потолочной системы воздушных линий, когда температура от пола до потолка остается в пределах узкой полосы. Поэтому, объем кондиционированного пространства уменьшается, что позволяет уменьшить воздушный поток. Воздушный поток можно также уменьшить с помощью охлаждающей нагрузки на наружные стены здания.

Рис. 5: Конвекционно-усиленная вентиляция улучшает качество воздуха в помещении

Теоретически в периметре зоны системы, проходящей под полом, участки охлаждающей нагрузки на наружные стены здания никогда не превращают ее в зону дневного пребывания людей. Наоборот, теплый воздух поднимается по наружным стенам прямо в стратифицированную зону. Из-за того, что распределение воздуха не управляется этой нагрузкой, подачу воздушной струи можно уменьшить. Объем уменьшения будет зависеть от основных геометрических характеристик здания и от конструкции его стен.

Система воздушных линий, проходящая под полом, может также уменьшить энергии, потребляемой вентиляторами, потому что она подает воздух, температура которого составляет от 15,6°C до 18,3°C по сравнению с температурой воздуха 12,8°C, обычно требуемой потолочной системой. Бесплатное охлаждение внешним воздухом можно использовать дольше в течение прохладного сезона. Уменьшение количества часов механического охлаждения может составить до 30% в год, в зависимости от климатической зоны.

Уже можно уверенно сказать, что система воздуховодов может стать почвой для размножения плесени, и владельцы зданий обеспокоены этой проблемой. Условиями, приводящими к появлению плесени в системе воздуховодов являются питательная среда пыли и относительная влажность воздуха 90% и выше. Более тщательная фильтрация и возможность очистки системы каналов может уменьшить количество пыли, но за счет высокого потребления энергии и капитальных затрат. Менее дорогое решение проблемы — это поддерживать относительную влажность воздуха до 80%, что лишит воздуховод той влаги, которая образует плесень.

Система воздушных линий, проходящая под полом, легко справляется с этой проблемой. Как мы уже отметили, она разработана с учетом подачи воздуха в помещение при температуре от 15,6°C дo 18,3°C, вместо температуры воздуха 12,8°C, подаваемого потолочной системой кондиционирования воздуха. Условие, при котором система создает температуру от 15,6°C дo 18,3°C, является ключом к уменьшению ее относительной влажности.

Когда рециркуляционный воздух в помещении достигает кондиционера, он разделяется на два отдельных потока. Oдин поток смешивается со свежим воздухом и проходит через фильтры и охлаждающий змеевики при температуре примерно 12,8°C и относительной влажности 90%. Другой поток воздуха проходит через отдельные фильтры и минует змеевик, так что его показателями являются температура 29,4°C и относительная влажность 50%. Двигаясь вниз по змеевику, оба воздушных потока смешиваются и получившийся в результате воздух достаточно теплый, чтобы подняться с пола в пространство, и достаточно сухой, чтобы предотвратить образование плесени, даже когда влажность воздуха за пределами здания высокая.

Потолочные системы воздушных линий также можно разработать с учетом предотвращения образования плесени. Эти системы обычно подают увлажненный воздух, температура которого 12,8°C, прямо из охлаждающего змеевика, так же как это делают системы вентиляционных каналов. Система воздушных линий может быть скорректирована, чтобы уменьшить относительную влажность подаваемого воздуха. Oдним из методов корректировки является размещение обходных вентиляторов между подачей воздушного потока и его возвратом, которые обводят часть рециркулируемого воздуха в подаваемый воздух. Этот процесс повышает температуру и уменьшает относительную влажность подаваемого воздуха. Тепло от осветительной арматуры может оказать то же действие.

Обычная потолочная система воздуховодов требует расстояния от 0,9 до 1,2 м между потолком и структурной плитой, находящейся над ним. Фальшпол в системе воздушных линий, проходящих под полом, добавляет 0,3 м к высоте между плитами, но отказ от отводных каналов экономит до 0,6 м над потолком. Конечным результатом может быть уменьшение высоты между плитами до 0,3 м. В потолочной системе воздушных линий также можно уменьшить высоту между плитами здания, потому что каждая линия действует как очень широкий и невысокий канал. В этом случае уменьшение можетсоставить до 0,6 м. Так или иначе, экономия средств может быть значительной.

В дополнение к общим достоинствам, система воздушных линий, проходящая под полом, предлагает еще несколько преимуществ по сравнению с потолочной системой воздуховодов.

Любая хорошо смешивающая воздух потолочная система вентиляции обеспечивает качество воздуха за счет того, что свежий воздух смешивается с загрязненным воздухом помещения и какая-то часть смеси уничтожается. Так как свежий воздух «растворяет» только загрязненный воздух, достигается компромиссное качество воздуха, результатом чего является низкая эффективность вентиляции (Ev обычно находится в интервале 0,8–0,9). Отработанный воздух имеет такой же уровень загрязнения, как и комнатный воздух. То есть, уровень загрязненности воздуха в зоне дневного пребывания людей намного ближе к уровню отработанного воздуха, чем к уровню подаваемого кондиционером воздуха.

Системы воздушных линий, проходящие под полом, вводят свежий воздух прямо в дыхательную часть зоны дневного пребывания людей. Тепло, загрязняющие агенты и застоявшийся воздух поднимаются к уровню потолка, где они обрабатываются. Свежий воздух стремится заменить собой воздух в помещении, а не растворить его. Tакая деятельность называется конвекционно-усиленной вентиляцией. В конечном итоге, улучшается эффективность вентиляции воздуха, что, в свою очередь, улучшает качество воздуха. На рисунке 5 демонстрируется конвекционно-усиленная вентиляция.

В среднем, капитальные затраты на оборудование здания фальшполом, системой вентиляции и кондиционирования воздуха, расположенной под полом, а также источником энергии, телевизионными кабелями и прочими техническими элементами, находящимися под полом, приблизительно такие же, как затраты на оборудование здания потолочной системой вентиляционных каналов с кабелями и скрытой в ней электропроводкой. Стоимость двух этих систем кондиционирования воздуха и вентиляции примерно одинакова, а добавочная стоимость фальшпола является компенсацией за снижение расходов на внешний вид здания и его систему электропроводки. Любые незначительные по стоимости отличия могут быть отнесены за счет ставок заработной платы, материалов на наружные стены и основные геометрические характеристики здания.

Однако системы воздушных линий, проходящие под полом, могут помочь вам значительно сэкономить эксплуатационные затраты. Управление служб общего назначения правительства США (U.S. General Services Administration) заявило, что для новых зданий с планировкой открытых офисов «лучшим выбором, с точки зрения практичности и экономичности, является система воздушных линий с фальшполом, имеющая разборную кабельную систему».

Джозеф M. Халца (ASHRAE)

Перевод Нечаев А.

"Мир Климата"