Новая экономичная система вентиляции "Два вентилятора – два воздуховода"

Система "два вентилятора, два воздуховода" (DFDD), установленная в здании начальной школы Топэм (г. Лэнгли, провинция Британская Колумбия, Канада) использует вдвое меньше тепла на единицу площади, чем любая другая система вентиляции в учебных заведениях Канады. Кроме того, согласно статистике, эта система реже требует ремонта и более экономична в обслуживании. Недорогая система DFDD может использоваться в любых климатических условиях и в любых зданиях, где центральная система вентиляции обслуживает несколько помещений одного здания.

Система DFDD обслуживает здание школы площадью около 3000 м2. Система механического охлаждения не установлена, но может быть смонтирована при необходимости.

Агрегатная вентиляционная установка (AHU) для холодного воздуха (см. Схему 1) смешивает холодный наружный и находящийся в помещении воздух, доводя смесь до температуры 15°C. Если температура атмосферного воздуха выше 14°C, установка снабжает здание только наружным воздухом (100% наружного воздуха). Аналогичная установка (AHU) для теплого воздуха снабжает помещения только рециркулированным воздухом. Если температура наружного воздуха в пределах 10–15°C, воздух, подаваемый в помещения, постепенно нагревается до 38°C. Если температура выше 15°C, нагрева воздуха не происходит. Если температура атмосферного воздуха выше 22°C, в здание поступает только наружный воздух через AHU для холодного воздуха.

Калориферы широкого диапазона в AHU для теплого воздуха обеспечивают теплом все здание. Для повышенной надежности системы теплоснабжения предусмотрены два калорифера и два вентилятора.

Большинство помещений школы представляют собой изолированные зоны, температура и поступление воздуха в которых регулируются отдельно, путем смешивания теплого и холодного воздуха. Скорость подачи воздуха в рабочую зону постоянна, но имеется возможность ее увеличения.

 

 25 кБайт
Схема 1. Система отопления, вентиляции и кондиционирования здания в начальной школе Топэм

 

В нерабочее время система может быть включена простым нажатием кнопки датчика в любом из помещений школы. Система работает в течение двух часов, обеспечивая приток воздуха в это помещение и работая на 25% от номинальной мощности в остальных помещениях. Благодаря такому режиму работы обеспечивается гибкое и экономичное вентилирование здания при его частичной загруженности, например, при использовании тренажерного зала в ночное время суток.

Рециркуляционный воздух проходит в пространстве под потолком. Внутренние стены имеют отверстия над потолком для сброса низкого давления, а сбрасываемый воздух проходит через большие обратные воздушные клапаны. Каждый вход в здание оборудован воздушной завесой с небольшим вентилятором, направляющей холодный воздух из нижней зоны помещения в область потолка. При холодной погоде воздушные клапаны сброса давления, расположенные на противоположной от входа стороне, закрыты.

Центральная механическая установка имеет запас мощности для увеличения нагрузки на систему в будущем и расположена в одной агрегатной, на которую приходится 2% от общей площади здания (Схема 2). Агрегатная расположена в центре здания для того, чтобы уменьшить общий периметр и обеспечить быстрый доступ ко всем обслуживаемым помещениям. На крыше предусмотрена возможность установки наружных блоков системы кондиционирования для компьютерного зала. Все техническое обслуживание проводится в агрегатной.

 

 31 кБайт
Схема 2. Агрегатная в начальной школе Топэм

 

Поскольку система DFDD централизованно распределяют тепло и не нуждаются в высокотемпературном источнике, она может использовать практически любой источник тепла, включая горячую воду, гликоль, пар, электричество, тепловые насосы или газовые печи. Здесь газовые печи были выбраны по следующим причинам:

  • газ является наименее дорогостоящим видом топлива;
  • печи гораздо дешевле котлов, насосов и трубопроводов;
  • котельная установка не нужна, и это позволяет сэкономить площадь;
  • газовые печи с непрямым сжиганием топлива имеют диапазон производительности 15:1, КПД более 80% при любом расходе топлива. Они зарекомендовали себя как надежное оборудование, со сроком безотказной работы свыше 15 лет;
  • печи позволяют снизить потребление энергии по сравнению с другими котельными установками, поскольку не происходит потерь тепла через трубы и кожухи котлов, а также меньше потери тепла в дымоходах;
  • данное оборудование требует минимум обслуживания, значительно меньше по сравнению с котельными установками;
  • отсутствие теплообменника снимает проблему его обмерзания.

В большинстве других систем использование печи в качестве единственного источника тепла невозможно, поскольку воздух в них нагревается отдельно в различных частях здания.

В школе Топэм установлены особые камеры, изготовленные на заказ, (Схема 3) с алгоритмом управления, основанном на принципах нечеткой логики, применительно к температуре сбрасываемого воздуха и расходу потока. Подобные камеры имеют следующие преимущества по сравнению с обычными камерами:

  • более четкий контроль, поскольку измерение показателей прямого высокоскоростного потока на выходе обеспечивает сильный и устойчивый сигнал при любых условиях работы (в обычных системах функция контроля поступающего воздуха не действует, когда скорость теплого или холодного воздуха на входе меньше нижней границы диапазона датчика);
  • менее резкое падение давления (скорость и направление меняются постепенно, и при сбросе воздуха происходит восстановление статического давления);
  • эти камеры намного удобнее в процессе установки и замены (они легче, детали малогабаритные);
  • обшивка поглощает больше шумов (поверхность камеры неплоская);
  • они менее дорогостоящие (стоимость камеры ниже, используется один датчик, а не два);
  • такие камеры удобны при техобслуживании.

В помещения воздух подается через один центральный диффузор. Скорость воздушного потока, согласно нормативам для канадских школ, составляет 5 л/с на кв. метр. При удержании кнопки датчика температуры в течение трех секунд, подача воздуха в помещение увеличивается на 30%, и система работает в таком режиме 2 часа до повторного нажатия кнопки. Если холодный воздух поступает через наружную дверь аудитории, 30%-е увеличение притока воздуха, поступающего из одного центрального диффузора, создает температурное расслоение воздуха за счет его подачи вдоль потолка и далее вниз по стенам. При этом в центральной части аудитории сквозняков не наблюдается. Поскольку весь воздух нагнетается через один диффузор, необходимо обеспечить низкий уровень шума и эффективное распределение воздуха. В этих целях диффузор соединен при помощи металлических листов с прямым стоком, расположенным после отвода, в котором находится распределительное устройство, расположенное в свою очередь после прямого воздуховода (Схема 4). По сравнению с системами, имеющими несколько диффузоров, один диффузор позволяет наилучшим образом распределить тепло, не создавая при этом сквозняков, и снизить расходы на воздухопроводы, соединения, отводы, вентиляционные решетки, диффузоры и балансировку. Поскольку система интенсивно подает воздух в зону пребывания людей, нет необходимости в нагревании подаваемого в помещение воздуха до высокой температуры. Сочетание высокой скорости подачи воздуха, невысокой температуры нагрева подаваемого воздуха и диффузоров, расположенных во всех помещениях, позволяет обеспечить эффективное распределение воздуха.

 

 20 кБайт
Схема 3. Воздухосмесительные камеры

 

Минимальное количество наружного воздуха поступает в AHU для холодного воздуха через отдельный клапан. Этот клапан играет роль диафрагмы, которая поддерживает постоянный минимальный приток наружного воздуха посредством регулировки рециркуляционного клапана и поддержания постоянного всасывающего давления в AHU для холодного воздуха.

Минимальная требуемая скорость притока наружного воздуха является достаточно низкой за счет высокой эффективности вентилирования помещения. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, единая вентиляционная система обслуживает здание целиком при его максимальном заполнении людьми, а не суммарно несколько отдельных помещений, вентилируемых различными установками и имеющие различную интенсивность заполнения. Во-вторых, не требуется много наружного воздуха, поскольку нормы снабжения воздухом занятых помещений всегда выполняются. Когда тепловая нагрузка низкая, приток холодного воздуха уменьшается, но воздухопровод теплого воздуха удаляет "неиспользованный" наружный воздух из помещений, в которых людей мало или нет совсем. Минимальная требуемая скорость притока наружного воздуха была рассчитана при помощи метода, учитывающего преимущества вторичной рециркуляции воздуха, например через воздухопроводы теплого воздуха DFDD. На основе этого метода были разработаны уравнения, приведенные в Приложении G к стандарту ANSI/ASHRAE 62-2001, "Вентиляция для обеспечения надлежащего качества воздуха в помещении".

Система вентиляции и кондиционирования воздуха в начальной школе Топэм была установлена в 1999 г. (в то время ее стоимость составляла порядка 75,35 долларов США/м2). Эти затраты примерно на 10% ниже по сравнению с любыми другими системами вентиляции. Причины ее низкой стоимости заключаются в следующем: одна система обслуживает целую школу; отсутствует котельная установка; нагревание осуществляется воздухом; конструкция деталей обладает наилучшим сочетанием цена/качество – это в основном касается воздухосмесительных камер и автоматики.

На схеме 5 показан расход тепловой энергии в школе Топэм и других школах г. Лэнгли, имеющих одинаковые часы работы, схожую загруженность и единые нормативы минимальной скорости вентиляции 7,5 литр/сек на одного человека. Но здесь используется вдвое меньше тепловой энергии по сравнению с другими школами, ее BEPI (коэффициент эффективности использования энергии в здании) составляет 200 МДж/м2 в год. Энергопотребление удается снизить главным образом за счет того, что при наличии системы DFDD практически нет необходимости в повторном нагревании воздуха. Большинство систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха охлаждают весь поступающий воздух, чтобы довести его температуру до температуры, требуемой в самом теплом помещении здания. Охлаждение производится либо механически, либо за счет подмеса холодного воздуха извне. После чего система вентиляции и кондиционирования расходует колоссальное количество энергии, повторно нагревая весь этот воздух или его часть.

 

 14 кБайт
Схема 4. Вентиляция учебных аудиторий

 

Экономичность системы объясняется также и тем, что требуемое количество наружного воздуха ниже, по сравнению с другими системами. Наконец, печи в школе Топэм более эффективны по сравнению с котельными установками, поскольку позволяют избежать потерь тепла через кожух котла, стенки трубопроводов и при простое.

Вентиляторы, устраняющие из помещения холодный воздух и снабженные функцией контроля сбрасываемого воздуха, позволяют поддерживать оптимальный температурный режим на входе в здание, несмотря на то, что входы и вестибюли не оборудованы обогревателями. О качестве воздуха в здании можно судить по следующим показателям:

  • воздух в помещении распределен равномерно и эффективно;
  • наружный канал для впуска воздуха расположен в удалении от возможных источников плесени;
  • дымовые газы сбрасываются в атмосферу вертикально, а выпускная труба удалена от канала для впуска наружного воздуха;
  • футеровка каналов предусмотрена только для крупных вентиляционных камер и воздухопроводов центральной установки;
  • рамы фильтров, мощность вентилятора и его автоматика позволяют дополнительно улучшить рабочие характеристики высокоэффективных фильтров.

Система DFDD очень малошумная. В здании в рабочие часы систему практически не слышно, однако в пустом здании некоторый шум различим. Когда приток воздуха увеличивается на 30%, уровень шума возрастает, но незначительно. Специальных измерений уровня шума не производилось, но система работает настолько тихо, что вряд ли может помещать процессу восприятия речи на слух. В будущем планируется сделать системы еще более бесшумными за счет уменьшения скорости потока воздуха в диффузорах, воздуховодах и смесительных камерах.

 

 17 кБайт
Схема 5. Потребление энергии на обогрев в начальных школах

 

Что касается сроков службы системы, то есть все основания рассчитывать на длительный срок эксплуатации оборудования — порядка нескольких десятилетий, поскольку практически вся техника защищена от неблагоприятных погодных условий и размещена в агрегатной. Кроме того, имеется свободный доступ для техобслуживания. В системе не используется влага, что позволяет избежать коррозии материалов. К числу факторов, способствующих повышению надежности и долговечности системы также можно отнести следующие:

  • система состоит из небольшого числа деталей;
  • детали системы в отдельности весьма надежны;
  • регулярно проводится диагностика системы.

Установлено, что ежегодные затраты на обслуживание системы в школе Топэм были почти вдвое ниже среднего уровня затрат по другим учебным заведениям г. Лэнгли, так как система реже требует ремонта, а при необходимости он ограничивается помещением агрегатной. При этом большая часть расходов приходится на работы по замене фильтров.

 

 28 кБайт
Схема 6. Схема DFDD для прохладного климата

 

Высокой эффективности работы и низкой стоимости системы DFDD способствовало также и то, что применение метода расчета вентиляции путем повторной рециркуляции позволило задействовать смесительную камеру без установки минимального притока холодного воздуха и с более низким минимальным значением забора наружного воздуха. В системе использована новая конструкция воздухораспределительной камеры и автоматики, а преимущественная подача воздуха через AHU для теплого воздуха позволяет максимизировать эффективность использования отводимого воздуха, уменьшить забор наружного воздуха и потребность в его повторном нагревании. Высокие эксплуатационные показатели системы DFDD во многом определяется наличием печи с широким диапазоном регулировки и минимальным количеством AHU.

Еще более значительной экономии энергоресурсов можно будет добиться путем применения датчика контроля уровня CO2 в воздухе, который поможет контролировать количество поступающего наружного воздуха и, тем самым, уменьшить приток воздуха в здание при отсутствии там людей. Обеспечение VAV в зонах позволит уменьшить приток воздуха в зону, когда содержание наружного воздуха в воздухе, подаваемом в помещение, повышается за счет естественного охлаждения, а применение рекуперационных камер позволит использовать отводимое тепло для нагрева свежего наружного воздуха.

 

Редакция журнала "МИР КЛИМАТА" выражает особую благодарность за содействие в подготовке материалов Харитонову Б.П., техническому директору компании "ДАИЧИ" и Штейну А.С., директору учебного центра "ДАИЧИ".

Автор: Дэвид Уорден, инженерные войска, член ASHRAE

Перевод: Нечаев А.В.

 

наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест