Распределение воздуха под полом и вытесняющая вентиляция.
Почему эти системы не одно и то же?

G. McDonell, компания «Omicron Consulting Group», Канада

Путаница происходит в области, где эти две системы «перекрывают» друг друга. Так, система распределения воздуха под полом, предназначенная для создания в помещении стратифицированных условий, с точки зрения общего движения воздуха действует таким же образом, что и система вытесняющей вентиляции. Однако для обеспечения внутреннего комфорта в помещении и локального обеспечения свежего воздуха эта система работает отличным образом от работы системы вытесняющей вентиляции. В этой статье рассматривается работа обеих систем и проводится четкое разграничение этих двух типов систем подачи воздуха.

Целью использования обеих систем является сокращение потребления энергии в зданиях и повышение качества внутреннего воздуха. Эти цели могут быть достигнуты при хорошем понимании проектировщиками зданий критериев конструирования и рабочих характеристик таких систем.

Системы распределения воздуха под полом

В Северной Америке системами распределения воздуха под полом в основном являются обычные воздухо-воздушные системы ОВК. В них для регулирования вентиляции и температуры в помещениях используется приточный воздух, подача которого осуществляется через фальшпол. Фальшпол решает сразу две задачи. С одной стороны, с его помощью осуществляется подача и распределение воздуха для компьютерных систем, систем связи и оборудования, для интенсивного перемешивания воздуха в офисах и других помещениях. С другой стороны, он предоставляет удобный и недорогой способ обеспечения воздухом в системах распределения с постоянным или переменным расходом воздуха (VAV-системах) (или в системах с вентиляторными конвекторами, вентиляторными смесительными устройствами, установленными под полом и т. д.). Такие системы обычно основаны на традиционных системах, смешивающих обратный (комнатный) воздух со свежим воздухом и подающих смесь в помещения, осуществляя тем самым комбинированное локальное регулирование температуры и интенсивности вентиляции. В некоторых других вариантах установок применяются специальные системы подачи наружного воздуха (DOAS – dedicated outdoor air system – специальная система подачи наружного воздуха), в которых подача воздуха производится в расположенные под полом вентиляторные смесительные конечные устройства, четырехтрубные вентиляторные конвекторы и другие конечные устройства подачи воздуха.

В Северной Америке подача воздуха из-под пола обычно используется в качестве основного средства контроля температуры в помещениях, при этом приток воздуха производится через фальшпол (рис. 1). В этих системах для смешивания кондиционированного воздуха на уровне находящихся в помещении людей обычно используются высокоскоростные «вихревые» индукционные напольные диффузоры.

Рисунок 1. Cистема распределения воздуха под полом формирует воздушные потоки в результате действия смесительных диффузоров и всплывающих струй

Данные системы обладают следующими характеристиками:

- Кондиционированный воздух используется как в качестве средства регулирования температуры воздуха в помещении, так и в качестве свежего вентиляционного воздуха.

- Параметры высокоскоростных напольных приточных устройств обычно направлены на наиболее интенсивное перемешивание воздуха в рабочей зоне помещения, при котором в верхней части помещения термальные струи и стратификация оказывают незначительное влияние на характеристики воздуха.

- В отличие от систем вытесняющей вентиляции, здесь имеет место большой расход воздуха.

- Основным средством контроля температуры в помещении является регулирование параметров приточного воздуха.

- В зависимости от тепловой нагрузки и количества находящихся в помещении людей, приточный воздух имеет температуру 18 °C или ниже (но редко ниже 15,5 °C).

- В зависимости от возможности обеспечения наружным воздухом «естественного охлаждения», определенное количество комнатного (обратного) воздуха смешивается с наружным воздухом.

- Обычно во внутренних зонах применяются системы с постоянным расходом воздуха, а в периферийных зонах – системы с переменным расходом воздуха (VAV-системы). Наряду с этим, в периферийных зонах могут использоваться локальные четырехтрубные вентиляторные конвекторы или другие конечные устройства подачи воздуха.

Преимущества систем распределения воздуха под полом:

- Так как используется приточный воздух с более высокой, чем обычно, температурой (от 17 до 18 °C вместо 13 °C), то удлиняется период времени в течение года, когда производится «естественное охлаждение» при помощи наружного воздуха, благодаря чему экономится энергия для работы системы искусственной вентиляции.

- В бетонных конструкциях предварительное охлаждение ночью плит перекрытия прохладным наружным воздухом снижает потребность в аккумуляции холода и охлаждении приточного воздуха днем. Тем самым уменьшается потребление энергии охлаждающей установкой (при условии, что применяемый в этом случае вентилятор потребляет меньше энергии, чем требуется для искусственного охлаждения для ожидаемых тепловых нагрузок).

- Подача воздуха обычно осуществляется системой низкого давления с постоянным расходом, небольшим потреблением энергии вентилятором и с использованием четырехтрубных периферийных вентиляторных конвекторов для зонального регулирования. В качестве альтернативы для зонального регулирования могут также использоваться системы с переменным расходом воздуха, но для этих систем требуются дополнительные затраты на распределение воздуха по системе трубопроводов и повышенная мощность вентилятора.

- Уменьшенная система воздуховодов для распределения воздуха позволяет снизить капитальные затраты.

- Подающие воздуховоды могут быть минимизированы, при этом, естественно, уменьшаются капитальные затраты.

- Регулирование подачи наружного воздуха может способствовать минимизации капитальных затрат (при этом используются регулируемые напольные решетки).

- Благодаря несложному изменению положения напольных диффузоров с аксимальным учетом схемы помещения и размещения рабочих мест может быть обеспечено оптимальное локальное регулирование притока воздуха.

- Благодаря локальному смешиванию воздуха и хорошему вертикальному градиенту температуры в помещении могут быть обеспечены оптимальные комфортные условия.

- Из-за смесительного эффекта высокоскоростных вихревых диффузоров потребление энергии для отопления помещений может быть уменьшено.

При использовании систем распределения воздуха под полом в помещениях с высокими потолками формируется расслоение воздуха по вертикали, при котором теплый, застоявшийся и загрязненный воздух вытягивается через находящиеся вверху решетки вытяжного/обратного воздуха (в отличие от низкоскоростных систем вытесняющей вентиляции). Обычно при использовании систем распределения воздуха под полом тепловые струи, идущие от людей и оборудования, играют в системе небольшую, второстепенную роль, а движение воздуха в рабочей зоне в основном формируется высокоскоростными напольными диффузорами.

Системы вытесняющей вентиляции

Современные системы вытесняющей вентиляции характеризуются очень низкой скоростью перемещения вентиляционного воздуха (на 100 % состоящего из наружного), подаваемого в помещение снизу или через систему фальшполов, или при помощи воздуховыпускных отверстий на уровне плинтуса или порога. Комнатный воздух обычно поступает к потолочным кондиционерам или по воздуховодам выводится в атмосферу. Системы подачи воздуха такого типа в основном используются для вентилирования, но в определенной степени они могут применяться и для регулирования температуры в помещении в режиме только охлаждения. Системы вытесняющей вентиляции не могут использоваться для отопления помещений, т. к. подача теплого воздуха вызывает замыкание воздушного потока на верхнюю часть помещения. Перемещение воздуха в помещении в основном вызывается естественными всплывающими струями от людей и оборудования. При этом образуется стратифицированный слой теплого загрязненного воздуха, «вытягиваемого» из верхней части помещения.

Во многих современных проектах систем вытесняющей вентиляции приточный воздух используется для регулирования температуры в помещении, однако эта функция может эффективно использоваться только в проектах с очень небольшим расходом холода в зданиях. Большая степень регулирования температуры в помещениях обеспечивается системами вытесняющей вентиляции в промышленных зданиях, в которых холодные сквозняки у пола не имеют такого большого значения и где в самих помещениях находится меньше людей. Основным назначением систем вытесняющей вентиляции является постоянное обеспечение находящихся в помещении людей чистым свежим вентиляционным воздухом и вывод загрязнений из стратифицированной зоны воздуха в верхней части помещения.

Современные системы вытесняющей вентиляции, используемые во многих офисных зданиях, применяются как специальные системы подачи наружного воздуха (DOAS-системы), в то время как зависящие от размера помещения тепловые нагрузки удовлетворяются при помощи систем лучистого отопления. DOAS-системы вытесняющей вентиляции демонстрируют свои наилучшие результаты при регулировании климатических условий и качества воздуха в помещении. Кроме этого, они характеризуются малым потреблением энергии.

Рисунок 2. В системе вытесняющей вентиляции движение воздуха в основном вызывается всплывающими струями

В системах вытесняющей вентиляции используется принцип, согласно которому осуществляется непрерывный приток в помещение свежего воздуха (рис. 2). Свежий воздух постоянно наполняет помещение, при этом комнатный воздух постоянно вытесняется в верхнюю часть помещения, таким образом в рабочей зоне образуется постоянный объем свежего воздуха. Температура приточного воздуха обычно немного ниже задаваемой температуры в помещении, поэтому перемещающийся с небольшой скоростью воздух равномерно «растекается» в нижней части помещения. Человеческое тело нагревает находящийся вблизи него воздух, благодаря чему возникает подъемная сила, вызывающая постоянное движение воздуха через рабочую зону находящегося в помещении человека. Таким образом, свежий воздух постоянно перемещается через зону дыхания человека.

Основным моментом при использовании систем вытесняющей вентиляции является то, что они, как правило, не предназначены и специально не рассчитаны на обеспечение какого-либо регулирования температуры в помещении. Присущий им небольшой эффект охлаждения является своеобразным «бонусом», зависящим от требований к тепловым нагрузкам в помещении. Если системы вытесняющей вентиляции, использующие воздух с низкой температурой, применяются в качестве систем контроля температуры в помещении, то они могут быть саморегулирующимися (объект, который является более теплым, чем приточный воздух, вызывает более интенсивный подъем над собой всплывающих струй, обеспечивая тем самым «протягивание» мимо себя большего количества более холодного воздуха). В промышленной среде это качество таких систем может быть весьма полезным. Однако в обычных жилых домах ограниченная охлаждающая способность, обусловленная нижним пределом температуры воздуха, протекающего на уровне пола, а также скорость воздуха, выводимого из воздуховыпускных отверстий, может стать ограничением для применения подобных систем.

Системы вытесняющей вентиляции характеризуются следующими факторами:

- Они используются только для вентиляции помещения (обычно вентиляционный воздух на 100 % состоит из наружного воздуха, рециркуляция комнатного воздуха отсутствует).

- Приточный воздух имеет температуру, очень близкую комнатной (обычно на 1–1,6 °C меньшую необходимой комнатной температуры).

- Система спроектирована таким образом, чтобы уменьшить перемешивание воздуха в рабочей зоне помещения; доминирующими факторами перемещения воздуха являются тепловые всплывающие струи.

- Приточный воздух в конечных воздуховыпускных устройствах имеет очень небольшую скорость (обычно меньше 0,2 м/с).

- Наблюдается значительно меньший расход воздуха, по сравнению с системами распределения воздуха под полом.

- Приток воздуха может осуществляться через систему фальшполов или каким-либо иным образом в нижней части помещения.

- Обычно во всех зонах здания используются системы низкого давления с постоянным расходом воздуха.

- Обычно для регулирования температуры воздуха в помещении применяются какие-либо иные средства (в наилучшем случае – системы лучистого отопления или охлаждения).

Преимущества систем вытесняющей вентиляции:

- Приточный воздух обычно не используется для регулирования температуры помещения. Поэтому системы подачи воздуха характеризуются незначительным расходом и несложной инфраструктурой, что обеспечивает экономию капитальных затрат и снижение потребления энергии, необходимой для перемещения воздуха.

- При использовании системы распределения воздуха под полом размеры системы воздуховодов могут быть уменьшены.

- Так как обычно приточный воздух на 100 % состоит из наружного воздуха, общий расход воздуха обычно не превосходит 24 л/с на человека (эмпирическое правило).

- Производится постоянная вытяжка воздуха. При таких условиях применение вентиляторов системы утилизации теплоты позволяет снизить потребление энергии, необходимой как для отопления, так и для охлаждения.

- При размещении под полом устройств подачи воздуха системы вытесняющей вентиляции локальное регулирование приточного воздуха может легко осуществляться изменением положения напольных диффузоров с максимальным учетом схемы помещения и размещения рабочих станций.

- В рабочей зоне помещения может быть обеспечено высокое качество внутреннего воздуха.

- Могут применяться небольшие устройства регулирования приточного воздуха в рабочей зоне, что позволяет уменьшить капитальные затраты.

Несмотря на то, что системы распределения воздуха под полом и системы вытесняющей вентиляции имеют очевидное сходство, их применение и метод работы различаются. Следует отметить, что в Северной Америке установленные в коммерческих (не промышленных) зданиях системы вытесняющей вентиляции применяются в качестве основной системы регулирования температуры в помещении. Но хотя системы вытесняющей вентиляции могут обеспечить некоторый минимальный температурный контроль, такое применение этих систем не является лучшим решением.

Основной проблемой систем распределения воздуха под полом любого типа является обслуживание и поддержание чистоты пространства под полом. При использовании системы распределения воздуха под полом, характеризующейся высокой скоростью движения приточного воздуха, пыль и взвешенные частицы из пространства под полом могут переноситься воздушным потоком и распределяться в рабочей зоне. В системе вытесняющей вентиляции с подачей воздуха из-под пола скорость воздуха мала, возможность попадания загрязнений, имеющихся в пространстве под полом, в поток приточного воздуха значительно меньше. Автор работал в офисном помещении, в котором использовалась система распределения воздуха под полом. Каждое утро, когда начинала работать установка обработки воздуха, пыль сметалась со стола. Так как наличие пыли в воздухе может вызывать приступы аллергии, такие условия работы не могут быть признаны хорошими. Эта проблема может быть уменьшена при тщательной уборке пространства под полом и полостей в полу у диффузоров.

В Северной Америке основным критерием обеспечения системой ОВК комфорта в помещении является температура воздуха. На самом деле исследования показали, что для большинства внутренних условий комфорт для человека на 40–50 % обусловливается тепловым излучением, на 30–40 % – конвекцией и на 10-20 % – испарением и образованием конденсата. В обычных воздухо-воздушных системах ОВК внимание уделяется только аспектам конвекции и конденсата (влажности), в то же время не учитывается такая значительная составляющая комфорта для человека, как излучение. Необходимо уяснить, что означает понятие «результирующая температура», принятое Управлением по обеспечению безопасности и здоровья в помещениях с людьми, использующим в своих исследованиях стресс у работников, вызываемый условиями среды, такой параметр, как «общая температура по влажному термометру». При использовании системы лучистого охлаждения может быть легко обеспечена «результирующая температура в помещении», равная 22 °C, даже если температура окружающего воздуха равна 26 °C (рис. 3).

Рисунок 3. Пример воздухо-воздушной системы ОВК

В Руководстве Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) по базовым положениям систем вентиляции (1997) описанию системы вытесняющей вентиляции уделяется не более половины страницы. На самом деле система вытесняющей вентиляции тесно связана с системами естественной вентиляции, которые могут быть очень сложными, требующими для вычисления производительности системы с достаточной степенью точности привлечения программ расчета уравнений динамики жидкости и газа. До сих пор в изложении ASHRAE основных принципов вытесняющей вентиляции встречаются предостережения об «ограниченной холодопроизводительности» и об «ограничениях температуры приточного воздуха для регулирования температуры воздуха в помещении», касающиеся систем этого типа. Кроме того, все еще имеется недопонимание наиболее целесообразного и эффективного применения систем вытесняющей вентиляции. Так, в ASHRAE эти системы рассматриваются как «элементы регулирования температуры в помещении», а не как специальные системы подачи наружного воздуха (DOAS-системы).

В Европе системы вытесняющей вентиляции исследуются и применяются в качестве средств обеспечения вентиляционного (свежего) воздуха в помещения с людьми, осуществляемого с наименьшими затратами энергии, в то время как в качестве средств основного регулирования температуры и комфорта в помещении применяются другие устройства, чаще всего системы лучистого охлаждения и отопления. Излучающие системы контроля температуры совместно с системами вытесняющей вентиляции не только обеспечивают прекрасные условия внутреннего комфорта и высокое качество комнатного воздуха, но и экономят потребляемую энергию. Наиболее эффективным образом комфорт обеспечивается выбором надлежащей результирующей температуры и подачей в зону дыхания чистого, свежего воздуха. Качество внутреннего воздуха поддерживается на высоком уровне благодаря тому, что комнатный воздух постоянно проветривается (вытесняется), и вместе с отработанным воздухом удаляются все находящиеся в нем загрязняющие вещества (рис. 3). Так как такие системы для Европы являются обычными, было выполнено множество исследований и накоплен большой объем зарегистрированных данных, касающихся успешной работы этих систем. Такие системы не рассматриваются в качестве подходов, проводящих четкое разграничение различных методов реализации кондиционирования воздуха. Здесь самым важным моментом является то, что излучающие системы контроля температуры и системы вытесняющей вентиляции потребляют существенно меньшее количество энергии, чем обычные, «только воздушные» системы при обеспечении высокого комфорта и качества внутреннего воздуха.

При использовании отдельной системы регулирования температуры, чувствительной к параметрам помещения, система подачи воздуха в это помещение может быть сведена к специальной схеме, обеспечивающей подачу приточного воздуха, на 100 % состоящего из отфильтрованного и обработанного наружного воздуха, и вывод вытяжного воздуха, на 100 % состоящего из загрязненного внутреннего воздуха. В помещениях, в которых в зависимости от численности находящихся в них людей требуется расход холода до 100 Вт/м², поддержание чувствительной к параметрам помещения температуры (результирующей) может осуществляться при помощи систем лучистого гидроникового отопления/охлаждения. Вода на единицу массы может доставлять в 3 000 раз больше энергии, чем воздух, и в большинстве «только воздушных» систем ОВК вентилятор может расходовать до 60–70 % энергии, потребляемой всей системой ОВК. Поэтому гидрониковые системы контроля температуры, использующие излучающие устройства, являются более энергоэффективными. На основании записей контроля производительности используемых в Европе систем с излучающими панелями, работающими совместно с системами вытесняющей вентиляции, можно сделать заключение, что наиболее энергоэффективные системы регулирования климатических параметров в зданиях основаны на применении устройств с излучающими бетонными плитами перекрытия (огромная термальная масса бетона способствует формированию чрезвычайно устойчивых внутренних климатических условий). Во влажном климате могут применяться системы лучистого охлаждения, при условии, что DOAS-система использует устройства снижения влажности, и корпус здания спроектирован должным образом. Нижней границей применения системы лучистого охлаждения является относительная влажность внутреннего воздуха и температура точки росы.

Создание комбинированных систем лучистого охлаждения и вытесняющей вентиляции в Северной Америке может быть экономически эффективным. Системы с излучающими панелями в зданиях отличаются небольшими капитальными затратами, а общая стоимость механических систем (сантехнического оборудования, систем противопожарной защиты, систем ОВК) варьируется в пределах от 102 до 108 долларов за м² площади, по сравнению со стоимостью обычной системы с постоянным или переменным расходом воздуха или четырехтрубной системы ОВК с вентиляторным конвектором – 156 долларов за м² (по местным ценам на западе Канады).

Судя по собранным автором данным для зданий в Европе, а также данным текущих проектов зданий на западе Канады, имеющих системы с излучающими панелями, общие капитальные затраты для зданий этого типа сравнимы с затратами для обычных зданий. На западе Канады имеются два примера функционирующих зданий с такими системами. В здании инженерного отделения Университета Калгари с фальшполами в классных комнатах излучающие панели полностью обеспечивают температурный контроль внутреннего пространства. А в только что открывшемся Центре общины Глиниглез на западе Ванкувера используется система с излучающими панелями, работающая в обычном для Европы «доме с постоянной температурой» совместно с системами вытесняющей вентиляции. Стоимость этих зданий аналогична стоимости зданий с обычными системами ОВК, но Центр общины Глиниглез имеет определенное преимущество благодаря геотермальным тепловым насосам, установленным в системе.

Кроме этого, в некоторых проектах с подвесными излучающими панелями для контроля температуры в помещении панели применяются и как устройства отопления, и как устройства охлаждения, используемые с различными системами подачи приточного воздуха. Примером этому может служить эксплуатируемый уже четыре года жилой комплекс Санкор в Форте МакМюррей, Канада. В этом общежитии общей площадью 11  148 м², имеющем 1 500 комнат, в каждой комнате есть подвесные панели отопления и охлаждения. Применение системы излучающих панелей позволило уменьшить капитальные затраты на электрическое и механическое оборудование, а также понизить уровень текущего потребления энергии.

Важным преимуществом системы с излучающими панелями является высокая эффективность использования энергии. Обычно, благодаря значительной термальной массе, системы ОВК с излучающими панелями и вытесняющей вентиляцией потребляют на 60–70 % меньше энергии, чем обычные четырехтрубные вентиляторные конвекторы или системы с переменным расходом воздуха. Системы лучистого охлаждения большинства офисных зданий для обеспечения производительности до 100 Вт/м² должны работать при температуре излучающей поверхности, не меньшей 17,5 °C. Поэтому они хорошо подходят для геотермальных систем, в которых средняя температура земли для Северной Америки удовлетворяет требованиям излучающих систем. Температура охлаждающей излучающей поверхности также значительно выше температуры, соответствующей точке росы при возможной чрезвычайно высокой влажности внутри помещений.

Инженеры и проектировщики систем ОВК должны учитывать положения строительной физики и осознавать, что температура воздуха сама по себе не может служить в качестве обобщенного критерия эффективности систем регулирования внутреннего климата зданий. Несомненно, системы распределения воздуха под полом имеют свою нишу. Они хорошо работают и потребляют сравнительно немного энергии, если функция вентилирования объединяется с функцией контроля температуры в помещении. Кроме этого, данные системы могут быть эффективными в проектах с большим расходом холода, когда ограничения не позволяют использовать комбинированные лучистые системы и системы вытесняющей вентиляции.

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено В. Д. Коркиным – зав. кафедрой СПб ГАИЖСА им. И. Е. Репина.