Регулирование расхода воздуха. Обзор технологий, применяемых в воздушных клапанах

Регулирование расхода воздуха – это часть процесса наладки систем вентиляции и кондиционирования, оно выполняется при помощи специальных регулирующих воздушных клапанов. Регулирование расхода воздуха в системах вентиляции позволяет обеспечить требуемый приток свежего воздуха в каждое из обслуживаемых помещений, а в системах кондиционирования – охлаждение помещений в соответствии с их тепловой нагрузкой.

Для регулирования расхода воздуха применяются воздушные клапана, ирисовые клапана, системы поддержания постоянного расхода воздуха (CAV, Constant Air Volume), а также системы поддержания переменного расхода воздуха (VAV, Variable Air Volume). Рассмотрим эти решения.

Два способа изменить расход воздуха в воздуховоде

Принципиально существует всего два способа изменить расход воздуха в воздуховоде – изменить производительность вентилятора или вывести вентилятор на максимальный режим и создать в сети дополнительное сопротивление движению потока воздуха.

Первый вариант требует подключения вентиляторов через частотные преобразователи или ступенчатые трансформаторы. При этом расход воздуха изменится сразу во всей системе. Отрегулировать подачу воздуха в одно конкретное помещение таким способом невозможно.

Второй вариант применяется для регулирования расхода воздуха по направлениям – по этажам и по помещениям. Для этого в соответствующие воздуховоды встраиваются различные регулировочные устройства, о которых речь и пойдёт ниже.

Воздушные отсечные клапана, шиберы

Самый примитивный способ регулирования расхода воздуха – применение воздушных отсечных клапанов и шиберов. Строго говоря, отсечные клапана и шиберы не являются регуляторами и не должны применяться в целях регулирования расхода воздуха. Тем не менее, формально они обеспечивают регулирование на уровне «0-1»: или воздуховод открыт, и воздух движется, или воздуховод закрыт, и расход воздуха равен нулю.

Отличие воздушных клапанов от шиберов заключается в их конструкции. Клапан, как правило, представляет собой корпус, внутри которого предусмотрена поворотная заслонка. Если заслонка повёрнута поперёк оси воздуховода, он перекрыт; если по оси воздуховода – он открыт. У шибера заслонка двигается поступательно, словно дверца шкафа-купе. Загораживая сечение воздуховода, она сводит расход воздуха к нулю, а, открывая сечение, обеспечивает проток воздуха.

В клапанах и в шиберах возможна установка заслонки в промежуточные положения, что формально позволяет изменять расход воздуха. Однако такой способ является самым неэффективным, сложно неконтролируемым и наиболее шумным. Действительно, поймать нужное положение заслонки при её прокручивании практически невозможно, а так как конструкция заслонок не предусматривает функцию регулирования расхода воздуха, в промежуточных положениях шиберы и заслонки достаточно сильно шумят.

Ирисовые клапана

Ирисовые клапана – одно из наиболее распространенных решений для регулирования расхода воздуха в помещениях. Они представляют собой круглые клапана с расположенными по внешнему диаметру лепестками. При регулировании лепестки смещаются к оси клапана, перекрывая часть сечения. При этом создается хорошо обтекаемая с аэродинамической точки зрения поверхность, что способствует снижению уровня шума в процессе регулирования расхода воздуха.

Ирисовые клапана снабжены шкалой с рисками, по которой можно отслеживать степень перекрытия живого сечения клапана. Далее производится измерение падения давления на клапане при помощи дифференциального манометра. По величине падения давления определяется фактический расход воздуха через клапан.

Регуляторы постоянного расхода

Следующий этап развития технологий регулирования расходов воздуха – появление регуляторов постоянного расхода. Причина их появления проста. Естественные изменения в вентиляционной сети, засорение фильтра, засорение наружной решетки, замена вентилятора и другие факторы приводят к изменению давления воздуха перед клапаном. Но клапан-то был настроен на некоторый штатный перепад давления. Как он будет работать в новых условиях?

Если давление перед клапаном снизилось, старые настройки клапана «передавят» сеть, и расход воздуха в помещение снизится. Если давление перед клапаном возросло, старые настройки клапана «недодавят» сеть, и расход воздуха в помещение возрастёт.

Однако главной задачей системы регулирования является именно сохранение проектного расхода воздуха во все помещения на протяжении всего жизненного цикла климатической системы. И здесь на первый план выходят решения для поддержания постоянного расхода воздуха.

Принцип их работы сводится к автоматическому изменению проходного сечения клапана в зависимости от внешних условий. Для этого в клапанах предусматривается специальная мембрана, которая деформируется в зависимости давления на входе в клапан и перекрывает сечение при повышении давления или освобождает сечение при понижении давления.

В других клапанах постоянного расхода вместо мембраны применяется пружина. Повышение давления перед клапаном сжимает пружину. Сжатая пружина воздействует на механизм регулирования проходного сечения, и проходное сечение уменьшается. При этом сопротивление клапана возрастает, нейтрализуя повышенное давление до клапана. Если же перед клапаном давление понизилось (например, вследствие засорения фильтра), пружина разжимается, и механизм регулирования проходного сечения увеличивает проходное отверстие.

Рассмотренные регуляторы постоянного расхода воздуха работают на основе естественных физических принципов без участия электроники. Существуют и электронные системы поддержания постоянного расхода воздуха. Они измеряют фактический перепад давления или скорость воздуха и соответствующим образом изменяют площадь проходного сечения клапана.

Системы с переменным расходом воздуха

Системы с переменным расходом воздуха позволяют изменять расход подаваемого воздуха в зависимости от фактического положения дел в помещении, например, в зависимости от количества человек, концентрации углекислого газа, температуры воздуха и других параметров.

Регуляторы данного вида представляют собой клапана с электроприводом, работа которого определяется контроллером, получающим информацию от датчиков, расположенных в помещении. Регулирование расходов воздуха в системах вентиляции и кондиционирования осуществляется по разным датчикам.

Для вентиляции важно обеспечить требуемое количество свежего воздуха в помещении. При этом задействуются датчики концентрации углекислого газа. Задачей системы кондиционирования является поддержание заданной температуры в помещении, следовательно, в ход идут датчики температуры.

В обеих системах также могут быть применены датчики движения или датчики определения количества человек в помещении. Но смысл их установки следует оговорить отдельно.

Безусловно, чем больше человек в помещении, тем больше свежего воздуха следует в него подавать. Но всё-таки первостепенной задача системы вентиляции заключается не в том, чтобы обеспечить расход воздуха «по людям», а в том, чтобы создать комфортную обстановку, что в свою очередь определяется концентрацией углекислого газа. При высокой концентрации углекислого газа вентиляция должна работать в более мощном режиме, даже если в помещении находится всего один человек. Аналогично, главным признаком работы системы кондиционирования является температура воздуха, а не количество человек.

Однако датчики присутствия позволяют определить, нужно ли вообще обслуживать данное помещение в настоящий момент. Кроме того, система автоматики может «понимать», что «дело к ночи», и в рассматриваемом кабинете вряд ли кто-то будет работать, а, значит, нет смысла тратить ресурсы на его климатизацию. Таким образом, в системах с переменным расходом воздуха разные датчики могут выполнять разные функции – для формирования регулирующего воздействия и для понимания необходимости в работе системы как таковой.

Наиболее продвинутые системы с переменным расходом воздуха позволяют на основе нескольких регуляторов формировать сигнал для управления вентилятором. Например, в один период времени почти все регуляторы открыты, вентилятор работает в режиме высокой производительности. В другой момент времени часть регуляторов понизила расход воздуха. Вентилятор может работать в более экономичном режиме. В третий момент времени люди сменили дислокацию, переместившись из одних помещений в другие. Регуляторы отработали ситуацию, но общий расход воздуха почти не изменился, следовательно, вентилятор продолжит работу в прежнем экономичном режиме. Наконец, возможна ситуация, когда почти все регуляторы закрыты. В этом случае вентилятор снижает обороты до минимума или выключается.

Такой подход позволяет избежать постоянной ручной перенастройки системы вентиляции, существенно повысить её энергоэффективность, увеличить срок службы оборудования, накопить статистику о климатическом режиме здания и его изменении в течение года и в течение суток в зависимости от разных факторов – количества людей, наружной температуры, погодных явлений.



Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»