Принципы проектирования вентиляции для улучшения качества воздушной среды в помещениях

Даже если потребление энергии системой вентиляции не является определяющим фактором в энергопотреблении здания, повышение эффективности вентиляции весьма важно для обеспечения качественного микроклимата во всем объеме здания.

Существуют различные способы улучения микроклимата при экономном расходовании энергии. Эти способы можно сгруппировать следующим образом.

Способы улучшения качества воздушной среды без сокращения расхода энергии:

• Корректный выбор расчетных параметов внутреннего и наружного воздуха.
• Использование приточных установок, не загрязняющих воздух.
• Повышение степени очистки приточного воздуха.
• Сбалансированный воздухообмен.
• Повышение эффективности вентиляции.
• Правильное размещение воздухозаборных устройств.

Способы энергосбережения без ухудшения качества воздушной среды:

• Утилизация тепла удаляемого воздуха.
• Местное регулирование параметров воздуха в помещении.
• Способы улучшения качества воздушной среды при одновременной экономии энергии:
• Контроль источников загрязнения воздуха и уменьшение объема загрязнений.
• Использование локализующего воздухоудаления.
• Нормированная подача наружного воздуха.
• Использование естественной вентиляции и охлаждения.
• Усовершенствование системы регулирования и обслуживания.

Выбор параметров воздушной среды
Хорошо известно влияние температуы воздуха на тепловой комфорт, но влияние этого фактора на ощущаемое качество воздуха менее изучено. Исследования показывают, что в теплом и влажном воздухе ощущается духота, при теплом воздухе в помещении в зимнее время чаще возникает "синдром дискомфортного здания", чем при прохладном. Зависимость между количеством случаев ощущения дискомфорта и температурой помещения близка к линейной в диапазоне изменения температуры воздуха 20-26°С.

Последние лабораторные исследования показали, что воспринимаемое качество воздуха при наличии загрязнений зависит от энтальпии. В лабораторных исследованиях воздух загрязнялся веществами, которые выделяют обычные строительные материалы. Натурные исследования не показали столь явно выраженной зависимости между этими показателями. Тем не менее, влияние энтальпии весьма существенно. Это позволяет предположить, что в холодный период года целесообразно задавать более низкую температуру и относительную влажность в помещении, что позвот обеспечить как улучшение воспринимаемого качества воздуха, так и экономию энергии в системах вентиляции.

Расчетное значение подвижности воздуха в помещении также связано с расходом энергии в системах вентиляции. Высокая подвижность воздуха приводит к интенсификации конвективного теплообмена, поэтому максимально допустимое по комфортным условиям значение подвижности следует принимать в период охлаждения, минимально допустимое - в период обогрева. Обычно среднее значение подвижности воздуха возрастает при возрастании потребности охлаждения помещения вместе с объемом подаваемого воздуха. Таким обом, расход приточного воздуха при охждении помещения целесообразно принимать более высоким, чем при обогреве.
Регулировать подвижность воздуха можно также с помощью системы воздухоспределения и путем использования комнатных перемешивающих вентиляторов (титропических потолочных вентиляторов). Система вентиляции по принципу замещения (вытеснения) обычно создает более низкую подвижность воздуха в помещении, чем система перемешивающей вентиляции.

Расчетное значение относительной влажности оказывает большое влияние на энергопотребление в теплом и влажном климате. Увеличение расчетного значения относительной влажности, например, с 40 до 60%, приводит к существенному снижению холодильной нагрузки. Так, для условий Майами энергозатраты в СКВ при относительной влажности в помещении 60% составляют только 56% от энергозатрат при заданной относительной влажности 40%.

Приточные установки, не загрязняющие воздух
Основная задача систем вентиляции одача в помещение чистого воздуха для разбавления и замещения загрязненного. Для выполнения этой задачи приточный воздух должен быть как можно более чистым. От степени чистоты подаваемого воздуха зависит эффективность вентиляции с точки зрения ассимиляции загрязнений. Таким образом, приточный воздух должен содержать минимальное количество взвеенных пылевых частиц и химических примесей, а также не обладать неприятным запахом. Однако обследования, проводимые в рамках проекта "Европейский аудит", показали, что воспринимаемое качество приточного воздуха во многих случаях годо ниже, чем аналогичный показатель для наружного воздуха. Практически в большинстве случаев воздух в приточной установке загрязняется гораздо сильнее, чем в обслуживаемом помещении. Отсюда вытекает следующий вопрос: что является источником загрязнения в оборудовании приточной камеры? Для того чтобы это выяснить, были произведены измерения качества воздуха на всех этапах обработки. Измерения показали ухудшение каества воздуха на каждом этапе. Результаты экспериментов, проведенных в Финяндии, свидетельствуют о том, что основным источником загрязнения является фильтр, улавливающий взвешенные частицы. Однако, ощущаемое качество воздуха, поступающего в помещение, все же лучше, чем непосредственно за фильтром. Причиной этого может быть рассеяние захов при перемещении воздуха или химические реакции.

Но фильтр - не единственный источник загрязнения в приточной системе. Широко распространенным компонентом вентсистем являются металлические воздуховоды. Как правило, площадь поверхности воздуховодов составляет около 10% площади здания. Воздуховоды также могут быть источником неприятного запаха. В лабораторных экспериментах исследовась старый и новый воздуховод длиной 20 м и площадью внутренней поверхности 5 м2; ухудшение качества воздуха при прохождении такого участка воздуховода было эквивалентно загрязнению от пребывания в помещении одного "стандартного" человека. Причиной загрязнения воздуха при прохождении участка нового воздуховода было смазочное масло, оставшееся на внутренней поверхности. Этот источник загрязнения может быть устранен путем промывки воздуховодов после изготовления, а при прохождении чистого воздуховода качество воздуха даже улучется.

Измерения, выполненные в проекте "Создание Европейской базы данных по источникам загрязнения воздуха в зданиях", показали, что все недостаточно чистые компоненты приточной установки могут стать источником неприятного запаха. Эти измерения проводились для сухого, незагрязненного оборудования, установленного прямо со склада завода-изготовителя или поставщика. Значительно более серьезные проблемы возникают при конденсации влаги, есэлементы приточной установки не имеют дренажа, неправильно смонтированы или плохо обслуживаются. Неправильно обслуживаемые охладители воздуха с выдением конденсата на поверхности могут стать источником бактериального загрязнения воздуха в зданиях. Ряд исследований выявил важность очистки поверхности воздухоохладителей. Например, исследования, проведенные в Южной Калифорнии, обнаружили, что одна треть тепообменников в крупных приточных системах и две трети в небольших системах не очищаются. Важность чистоты оборудования для обработки воздуха зафиксирована в государственных стандартах и нормативных документах многих стран (финский Классификатор 1995, ASHRAE 62R 1996, VDI 6022 1997). Поскольку чистота оборудования имеет столь существенное значение для качества приточного воздуха, в Финляндии было проведено тестирование приточной установки, находящейся в эксплуатации длительное время (примерно 10 лет). Было проведено измерение ощущаемого качества воздуха до и после очистки. Результаты тестирования показали значительное улучшение качества воздуха после очистки оборудования.

Несмотря на то, что фильтр по-прежнему являлся источником загрязнения, после прохождения всей установки качество воздуха до некоторой степени улучшалось. Влияние чистоты поверхности сети воздуховодов на качество воздуха также немаловажно. В процессе тестирования приточный воздух после обработки проскался по старому воздуховоду длиной 30 м и, для сравнения, по новому чистому длиной 10 м. Качество воздуха в последнем случае улучшалось, а после прохождения участка старого воздуховода отмеось значительное ухудшение.

Очистка наружного воздуха
Для того чтобы обеспечить наиболью эффективность ассимиляции загрязнений в помещении, приточный воздух должен быть возможно более чистым. Очистка наружного воздуха имеет наибольшую значимость в зонах с загрязненной атмосферой, объем притока прямо пропорционален степени очистки наружного воздуха.

Фильтры для удаления механических загрязнений широко используются в СКВ. Они предназначены как для предохранения оборудования СКВ от загрязнения, так и для очистки приточного воздуха. Характеристики этих фильтров весьма различны. Фильтры, отнесенные к одному и тому же классу, могут иметь различную эффективность пылеулавливания по фракциям и различные эксплуатационные характеристики. Эту проблему предполагается устнить после ввода в действие нового стандарта (ASHRAE 52.2) по сертификации воздушных фильтров. Фильтры, отнесенные к классу EU5 (эффективность пылеулавливания 60%), снижают общее содержание пылевых частиц наполовину, а фильтры класса EU7 (эффективность пылеулавливания 90%) до 30% от первоначальной концентрации. Воздуховоды и теплообменные поверхности загрязняются в основном крупными частицами, которые в первую очередь оседают на поверхностях. Фильтры класса EU7 обеспечивают как защиту оборудования, так и очистку приточного воздуха. Для обеспечения более высокого качества воздуха рекомендуется двухступенчатая фильтрация. Фильтры грубой очистки (1 ступень) улавливают основную массу пыевых частиц и в связи с этим их необходимо заменять чаще, чем фильтры тонкой очистки (2 ступень); такой порядок экстации обеспечивает более высокое качество приточного воздуха.

На практике часть воздуха может проходить мимо фильтров через неплотности в конструкции приточной камеры. Таких ситуаций, создающих поток неочищенного воздуха, следует избегать - необходимо уплотнять конструкцию воздухозабора. По аналогичной причине требуется уплотнение элементов приточной установки между фильтром и вентилятором, находящихся под разрежением.
Новые технологии очистки воздуха предоставляют совершенно новые возможности. Совмещая электрические способы очистки и волокнистые фильтры, можно добиться высокой эффективности без значительного увеличения расхода энергии в системе. Электрофильтры не содают такого аэродинамического сопротивления, как волокнистые фильтры, расход энергии на перемещение воздуха составяет 1-2 Вт на 50-100 л/с. Использование электрофильтров совместно с волокнистыми существенно повышает эффективность очистки от мелкодисперсных фракций.

Химические очистители воздуха могут быть использованы для удаления загрязняющих воздух химических веществ. Такие очистители до сих пор не нашли широкого применения в практике из-за высокой стоимости и малой производительности. Эффективность химических фильтров может резко снизиться, когда состояние реагента-поглотителя близко к насыщению. Время эффективной работы поглотителей сравнительно невелико и в значительной мере определяется начальной концентрацией загрязнений в приточном воздухе.

Затраты на химическую очистку воздуха можно сопоставить с затратами на вентиляцию. Очистка воздуха становится предпочтительным вариантом при больх удельных энергозатратах в системе вентиляции. Сбалансированный воздухообмен Вентиляционный воздухообмен, определенный в расчете на 1 человека или на единицу площади, может оказаться существенно различным. Во время выполнения проекта "Европейский аудит" было установлено, что расход наружного воздуха в расчете на единицу площади помещения изменялся от величины, близкой к нулю, до 5 л/с_м2 и более. В зданиях с естественной вентиляцией расход наружного воздуха в 80% случаев составлял менее 1 л/с_м2. В помещениях с механической вентиляцией в 80% случаев расход наружного воздуха превышал 1 л/с_м2. Средняя норма подачи наружного воздуха составяла 25 л/с_чел. Однако даже если расход наружного воздуха для здания в целом опеделен корректно, распределение воздуха по помещениям может оказаться неравномерным из-за несбалансированности воздушных потоков, в т. ч. рециркуляции.

Инспекция по надзору за состоянием окружающей среды и здоровьем людей г. Хельсинки провела обследование офисных помещений с общим числом сотрудников 1 782 чел. в 33 случайно выбранных зданиях. Средний расход приточного воздуха составил 17,2 л/с_чел, что явно превышает нормативную величину для Финяндии (10 л/с_чел). При этом было обнажено большое различие конкретных значений расхода приточного воздуха для разных зданий и по помещениям в предех здания. Типичный разброс величины расхода воздуха составил 11,6 л/с_чел. В 10 зданиях разброс величины воздухообмена по помещениям превысил половину среднего значения этого показателя. В этих случаях баланс воздухообмена был признан неудовлетворительным.

Несбалансированность воздухораседеления по помещениям здания ознает, что в одних помещениях будет иметь место избыточная вентиляция и, следовательно, перерасход энергии, а в других охое качество воздуха. Такая ситуация обычно возникает в тех случаях, когда исользуются системы вентиляции без рециркуляции. Равномерное распределение подачи наружного воздуха позволит улучть качество воздуха в целом по зданию и сократить общее потребление энергии. Слишком низкий удельный расход наружного воздуха может иметь место в системах вентиляции с переменным расходом при отсутствии ограничения минимального расхода наружного воздуха.