Системы вентиляции, регулируемые по уровню потребности

T. Lawrence, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Одним из средств энерго-сбережения зданий является использование вентиляции, регулируемой по уровню потребности (Demand Controlled Ventilation – DCV).

Влияние таких систем на общее жизнеподдержание здания отражается на величине общего и пикового потребления энергии системой ОВК, а также на качестве внутреннего воздуха.

Наиболее распространенным способом внедрения системы вентиляции, регулируемой по уровню потребности, является регулирование количества наружного воздуха, подаваемого для вентиляции, в зависимости от уровня СО₂ во внутреннем воздухе здания.

Мониторинг уровня СО₂ может осуществляться при помощи датчика, расположенного в зоне, в которой находятся люди, или в потоке вытяжного воздуха, как показано на рис. 1, представляющем обобщенную конфигурацию системы.

Как конкретно вентиляция, регулируемая по уровню потребности, интегрируется в систему ОВК здания, определяется типом системы.

Например, добавление такой системы к агрегату, расположенному на крыше, может сводиться просто к включению датчика СО₂ в контроллер со встроенным регулированием. Такая система может обслуживать одну зону или несколько зон, в которых находятся люди, и она отличается простотой контролирования уровня СО₂.

В крупных зданиях с центральной установкой кондиционирования воздуха может быть несколько различных зон с людьми, поэтому в них становится сложнее определить, где и как нужно установить датчик(и). Кроме этого, при изменяющемся количестве людей в нескольких зонах становится затруднительным определить нужное количество приточного воздуха, подаваемого центральной установкой кондиционирования воздуха.

Рисунок 1. (подробнее) Обобщенная схема интеграции вентиляции, регулируемой по уровню потребности, в систему ОВК

Методы энергосбережения

Наибольшее энергосбережение при помощи вентиляции, регулируемой по уровню потребности, обеспечивается в зонах, в которых постоянно изменяется количество людей.

При небольшом количестве людей расход наружного воздуха для вентиляции может быть снижен до минимального уровня, что позволяет избежать кондиционирования наружного воздуха сверх необходимого.

Основными примерами таких зон в здании могут служить лекционные аудитории, конференц-залы, рестораны и предприятия розничной торгов-ли. Для сравнения потребления энергии системой ОВК, использующей вентиляцию, регулируемую по уровню потребности, и обычной системой существует множество сценариев.

Конкретный выбор одного из них определяется в основном тем, производится ли оценка для проекта нового здания или для реконструкции уже существующего здания.

Новые здания

Оценка потребления вентиляционного воздуха (и, таким образом, потреб-ления энергии, необходимой для кондиционирования этого воздуха) должна базироваться на существующих стандартах, например, на стандарте ANSI/ASHRAE 62-2001 «Вентиляция для обеспечения приемлемого качества внутреннего воздуха».

При такой оценке общего энерго-сбережения в рассмотрение должна включаться (если она уже не была учтена) работа экономайзера, основанная на изменении энтальпии.

В существующих нормах по потреб-лению электроэнергии предусматривается охлаждение с использованием экономайзера, зависящее от типа здания, параметров и расположения оборудования.

Даже если экономайзер не указывается в нормах, он должен быть добавлен в систему вентиляции, регулируемую по уровню потребности, т. к. для экономайзера и для данной системы требуются заслонки, регулирующие подачу наружного воздуха и обеспечивающие минимум дополнительных затрат.

Реконструкция существующих зданий

Естественно, в существующем здании может производиться сравнение потребления энергии системой с вентиляцией, регулируемой по уровню потребности, и системой с расходом вентиляционного воздуха, значения которого задаются в стандартах. Однако результаты такого сравнения могут отличаться от истинных значений энергопотребления системой ОВК и реальных парамет-ров качества воздуха. Расход вентиляционного воздуха может значительно отличаться от запланированного вначале из-за последующих изменений реальных условий, старения оборудования и т. д.

Например, автор данной статьи встречал примеры, когда в реальных условиях воздухозаборные устройства были специально закрыты (возможно, для экономии энергии) или когда в проекте были предусмотрены устройства регулирования при помощи экономайзера, управляющие открытием воздушных заслонок, но по каким-то причинам они не были установлены на месте (даже несмотря на то, что их наличие задается местными нормами и правилами).

Независимо от стандарта проектирования, оценка энергосбережения в системе вентиляции, регулируемой по уровню потребности, устанавливаемой при реконструкции вентиляции существующего здания, должна вначале ориентироваться на анализ существующей структуры вентиляции в здании, даже если эта структура не соответствует действующим нормам и стандартам.

Такой подход дает владельцу здания (или тому, кто фактически платит по счетам за электроэнергию) более точную оценку реальной возможной экономии энергии. Если в здании не обеспечивается вентиляция, соответствующая существующим стандартам, основное преимущество, которое может дать система, регулируемая по уровню потребности, может, возможно, выражаться в улучшенном качестве внут-реннего воздуха, как будет показано в следующем разделе.

Реализация систем вентиляции, регулируемых по уровню потребности, в существующих зданиях в большой степени определяется реальными условиями на месте эксплуатации.

Если система уже имеет заслонку, регулирующую подачу наружного воздуха при помощи устройства цифрового управления, то установка системы вентиляции, регулируемой по уровню потребности, может быть очень простой.

Однако если рассматривается ситуация реконструкции здания с устаревшими конструкциями систем ОВК (например, в здании используются пневматические системы регулирования), то реконструкция будет предусматривать проведение больших изменений, и, следовательно, в этом случае будет труднее оправдать возможную экономию энергии.

Влияние вентиляции, регулируемой по уровню потребности, на качество внутреннего воздуха

Если сравнение проводить согласно стандарту 62, то теоретически использование вентиляции, регулируемой по уровню потребности, не дает никакого улучшения качества воздуха.

Однако устанавливаемые в стандарте 62 показатели расхода вентиляционного воздуха на человека (или на единицу площади в некоторых зданиях) не учитывают влияния эффективности вентиляции в здании.

Вообще, в ситуациях, когда в зданиях нет значительных других источников загрязнения, кроме СО₂, стандарт устанавливает рекомендуемый уровень вентиляции на одного человека, соответствующий концентрации СО₂ во внутреннем воздухе, превышающей концентрацию углекислого газа в наружном воздухе на 700 промилле.

Одним из способов улучшения качества внутреннего воздуха является использование стратегии, при которой расход вентиляционного воздуха рассматривается проектировщиком системы как количество воздуха, действительно подаваемого в зону с людьми, что предполагает учет эффективности вентиляции.

Однако на практике такой расход рассматривается как общее количество вентиляционного воздуха, подаваемого в помещение.

Следовательно, система вентиляции, регулируемая по уровню потребности, может обеспечить лучшее качество воздуха в ситуациях, когда уровень заполнения людьми помещений равен или близок к расчетным значениям и при типичных значениях коэффициента эффективности вентиляции помещения (от 0,6 до 0,8).

В этих случаях потребление энергии может быть в действительности выше, чем если бы расход наружного воздуха устанавливался согласно стандарту 62, т. к. контроллер описываемой системы вентиляции увеличивает забор наружного воздуха до тех пор, пока фактическое количество воздуха, подаваемого в зоны с людьми, не достигнет такого уровня, при котором содержание СО₂ не станет равным заданному в контроллере значению.

Если система вентиляции, регулируемая по уровню потребности, интегрируется в уже существующую систему вентиляции, в которой установлен расход вентиляционного воздуха ниже требуемого стандартом 62, то улучшение качества внутреннего воздуха становится возможным. И потенциально такое повышение качества воздуха может быть значительным.

Конкретные примеры

Рассмотрим случай, исследовавшийся ранее для одного из крупных университетов в США. В этом исследовании рассматривалась возможная установка системы вентиляции, регулируемой по уровню потребности, для двух одинаковых больших аудиторий, с ее интеграцией в уже существующую систему вентиляции.

В каждой из аудиторий может находиться максимум 300 человек. В аудитории А имеется система вентиляции, установленная там в середине 1970-х годов и обеспечивающая расход наружного воздуха 700 л/с или 2,4 л/с • чел. при максимальном заполнении.

В другой аудитории система вентиляции была недавно модернизирована, поэтому расчетный расход вентиляционного воздуха в этой аудитории равен 1 770 л/с или 5,9 л/с • чел. при максимальном заполнении.

В обеих аудиториях имеется экономайзер, основанный на показаниях температуры и обеспечивающий дополнительное количество наружного воздуха, когда температура наружного воздуха падает до значения 13 °С и ниже.

Упрощенный анализ концентрации СО₂ в зоне с людьми аудитории А в предположении установившегося режима показывает, что в этой зоне может возникнуть концентрация на 2 500 промилле выше концентрации СО₂ в наружном воздухе.

В этом анализе предполагалось, что коэффициент эффективности вентиляции равен 0,7 и что количество людей в аудитории зависит от расписания занятий в ней.

Производилась оценка работы системы вентиляции, регулируемой по уровню потребности, с заданным значением концентрации СО₂, равным 1 100 промилле (на 700 промилле выше концентрации в наружном воздухе), по сравнению с существующими заданными значениями и расписанием занятости аудитории, при котором задается постоянный расход вентиляционного воздуха, равный 2 100 л/с или 7 л/с • чел., во время дневных часов обычного заполнения людьми.

Рассчитанная концентрация СО₂ в зоне с людьми представлена на рис. 2. Отметим, что в случае учета расписания занятости аудитории, при котором задается расход 7 л/с • чел., наблюдается такая же концентрация в зоне, что и при использовании системы вентиляции, регулируемой по уровню потребности, в которой задается концентрация в часы наибольшего заполнения, равная 1 100 промилле.

Действительная рассчитанная концентрация из-за учета эффективности вентиляции и предполагаемого дополнительного количества вентиляционного воздуха вследствие инфильтрации немного выше – 1 300 промилле.

Даже если здание и оборудование сравнительно новые, то это не обязательно означает, что действительное количество подаваемого вентиляционного воздуха удовлетворяет критериям стандарта 62.

Рассмотрим, например, типичное школьное здание.

Фактическое значение расхода вентиляционного воздуха, подаваемого агрегатированной системой, встроенной в боковые стены, с использованием стандартной заводской конфигурации выпускных вентиляционных решеток, измеренное в классной комнате одного из учебных заведений, было равно только 1,4 л/с • чел.

Измеренная концентрация СО₂ в зоне с людьми в этих помещениях при такой подаче вентиляционного воздуха во время максимального заполнения помещения людьми обычно превышала верхнюю границу измерений датчика, равную 2 000 промилле.

Рисунок 2. (подробнее) Рассчитанная средняя почасовая концентрация СО2 в зоне с людьми

Выводы

Вентиляция, регулируемая по уровню потребности, потенциально может обеспечить значительную экономию энергии, потребляемой системами ОВК, благодаря кондиционированию только того количества вентиляционного воздуха, которое необходимо для поддержания хорошего качества внутреннего воздуха.

Наиболее перспективными приложениями в этом смысле являются системы вентиляции в зданиях или зонах с большими изменениями количества находящихся в помещениях людей.

Достижение улучшений конструктивных характеристик возможно с минимальным дополнительным оборудованием и минимальной модификацией системы. Если реальная система вентиляции имеет (или предполагается, что имеет) постоянный расход наружного воздуха, равный значениям, то возможна существенная экономия энергии.

Возможно также улучшение качества внутреннего воздуха благодаря компенсации эффективности вентиляции при использовании фактических измеренных значений концентрации СО₂.

Однако надо учитывать, что в реальных условиях поток вентиляционного воздуха может существенно отличаться от значений, указанных в стандартах (обычно ниже). Поэтому реальная экономия энергии может быть ниже рассчитанной.

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено С. Н. Хоревым, главным инженером проекта по специальности отопление и вентиляция.

Тел. (095) 245-94-80