Методика расчета и оптимизация воздухообмена для помещений жилых зданий

В 2004 году вышла новая версия Стандарта ANSI/ASHRAE Standard 62.1– 2004 «Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality», разработанная Американским национальным институтом стандартов (ANSI) и Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), внесены изменения и дополнения, связанные с усовершенствованием рекомендаций по расчету количества наружного воздуха и методик достижения внутри помещения воздуха требуемого качества: путем определения и изменения удельных норм воздухообмена и методики на основе расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ.

Данные изменения и дополнения к расчетам, особенно при применении мультизональных систем, усложнили инженерам задачу определения требуемого расхода наружного воздуха. Раньше, для того чтобы рассчитать количество наружного воздуха, числа 8,6 м³/ч, 17,3 м³/ч или 25,6 м³/ч, соответствующие санитарной норме, умножались на число проживающих людей. Но стало очевидно, что применение упрощенного расчета не обеспечивает требуемое качество воздуха внутри помещений. Комитет ASHRAE при разработке Стандарта 62.1–2004 внес дополнение, в связи с которым требуемый расход наружного воздуха должен определяться суммированием отдельных потоков воздуха, необходимых для ассимиляции теплоты, влаги и загрязняющих веществ, поступающих в помещение от людей, материалов и технологических процессов, соответственно. В связи с этим, общее количество наружного воздуха рекомендуется определять путем суммирования санитарной нормы свежего воздуха, приходящейся на 1 человека (27 м³/ч), и нормы подачи воздуха на каждые 100 м² площади помещения (36 м³/ч). Это позволяет менять значения воздухообмена помещений в зависимости от размера дома и числа проживающих в нем людей.

В настоящей статье изложена методика расчета воздухообмена помещений общественных и жилых зданий (односемейных домов и малоэтажных многосемейных построек) с применением мульти-зональных систем вентиляции и кондиционирования воздуха, которая представляет интерес для российских специалистов, поскольку методика расчета содержит общие положения для Стандарта ASHRAE и Стандарта АВОК.

Общие положения

При разработке стандарта ASHRAE 62.1–2004 комитетом по стандартизации и специалистами по исследованиям вопросов вентиляции и организации воздухообмена была проведена оценка факторов, влияющих на снижение качества воздуха внутри здания, которое зависит от расхода приточного воздуха.

Расход воздуха, поступающего в зону дыхания людей, может быть уменьшен в результате сочетания следующих условий:

• Применения систем с переменным расходом воздуха, что позволяет в значительной степени экономить капитальные и эксплуатационные затраты за счет снижения потребления электроэнергии, тепла, холода при изменении общего расхода воздуха.

• Выбора воздухораспределителя, обеспечивающего требуемую скорость воздуха (0,8 м/с), поступающего в рабочую зону.

• Переключения вентиляционной системы с режима «охлаждение» на «обогрев», когда при включении зонального воздухонагревателя возникает эффект всплывания воздушного потока на уровень потолка и уменьшение доли воздушного потока, попадающего в зону дыхания людей.

• Несоответствие реального количества людей, находящихся в рабочей зоне, расчетному значению.

Методики расчета расхода наружного воздуха

Качество воздуха внутри помещения является функцией многих переменных, таких как качество наружного воздуха, интерьер замкнутых объемов, конструктивные особенности вентиляционных систем, способы их управления и технического обслуживания, наличие источников загрязнения и их мощность. Стандарт ASHRAE 62.1–2004 содержит требования по проектированию систем вентиляции с учетом указанных факторов, что позволяет обеспечить допустимый уровень качества воздуха в помещениях.

В воздухе помещений не должно быть загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих предельно допустимые значения, то есть влияющих на здоровье человека или вызывающих дискомфорт. К загрязняющим веществам (вредным факторам) следует относить: газы, пары, аэрозоли, микроорганизмы, табачный дым, антропотоксины, радионуклиды, раздражители, вызывающие аллергические реакции, неприятные запахи. Они могут попадать в воздух помещений с наружным воздухом или от источников вредных выделений, расположенных в самом помещении, которыми являются технологические процессы и интерьер помещения, строительные материалы, покрытия поверхностей и компоненты, сопровождающие процессы обработки воздуха в системах кондиционирования воздуха. В связи с этим Стандарт ASHRAE 62.1–2004 предлагает способы определения необходимого количества наружного воздуха: на основании расчета удельных норм воздухообмена и на основе расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ.

Методика на основе определения удельных норм воздухообмена представляет собой один из способов обеспечения требуемого качества воздуха. В ней приводятся нормы, которым должен соответствовать приточный воздух, а также различные схемы систем кондиционирования воздуха.

Методика на основе расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ в помещениях представляет собой альтернативный способ достижения требуемого качества воздуха на основании нормативов по предельно допустимым уровням концентраций загрязняющих веществ в воздухе помещений и оценки источников загрязнений, но не дает значений требуемого воздухообмена и способов обработки воздуха.

По методике на основе расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ расчеты следует выполнять для определения параметров наружного воздуха на соответствие их требуемым нормативам. Применение этого метода в статье не рассматривается. Методика на основе расчета удельных норм воздухообмена наиболее применима в связи с тем, что, как правило, на ранних стадиях проектирования инженер не располагает всеми необходимыми данными для расчетов допустимых концентраций загрязняющих веществ.

Качество наружного воздуха

До начала проектирования систем вентиляции (кондиционирования воздуха) в соответствии с порядком выполнения проектных работ инженер должен рассмотреть вопросы качества наружного воздуха в заданных условиях и обсудить результаты с заказчиком, для чего необходимо предоставить набор документации со следующими данными.

1. Качество воздуха в регионе. Соответствие качества окружающего воздуха национальным стандартам должно быть определено для географического района расположения здания по наличию или отсутствию каждого загрязняющего вещества, указанного в стандарте.

2. Качество окружающего воздуха. Определение качества окружающего воздуха выявляется по наличию местных загрязняющих веществ, которые могут попадать в здание, путем наблюдения за площадкой расположения объекта. Наблюдения предусматриваются в соответствии с позициями, изложенными в Стандарте ASHRAE 62.1–2004 и п. 62.1 «Руководства для пользователей» ASHRAE 62.1–2004 с указанием даты, времени и района наблюдений, и должны сопровождаться описанием прилегающих сооружений, характеристик запахов или раздражающих веществ, наличия зрительно наблюдаемого дыма или других вредных выбросов, источников автомобильного транспорта, а также преобладающего направления ветра.

3. Документация. Информация, собранная в ходе изучения качества наружного воздуха, должна быть оформлена в виде отчета и рассмотрена при участии заказчика. В отчете должны быть предусмотрены выводы о состоянии наружного воздуха.

В случае если в результате предварительных исследований выявлены загрязняющие вещества в концентрациях, превышающих предельно допустимые нормы, или наличие местного источника загрязнения, инженером должны быть разработаны мероприятия по обеспечению качества наружного воздуха: выбор установок для очистки воздуха для того или иного вида загрязняющих веществ и соответствующего места забора воздуха для вентиляционных систем.

Определение расчетного воздухообмена

Определение воздухообмена требуется для трех видов систем кондиционирования воздуха.

1. Прямоточные однозональные системы кондиционирования воздуха, работающие только на наружном воздухе(каждая зона обслуживается самостоятельной системой).

2. Однозональные системы кондиционирования воздуха с рециркуляцией (каждая зона обслуживается самостоятельной системой).

3. Многозональные системы кондиционирования воздуха с рециркуляцией.

Это системы кондиционирования воздуха с зональными воздухонагревателями (обработка наружного воздуха в центральном кондиционере с последующей подачей его через зональные воздухоподогреватели в каждую зону); двух-канальные системы кондиционирования воздуха (обработка наружного воздуха в центральном кондиционере с последующим делением его на потоки, идущие по двум каналам, на которых установлены воздухонагреватель и воздухоохладитель, соответственно, и смешением нагретого и охлажденного воздуха в соответствующих пропорциях) и системы кондиционирования воздуха с переменным расходом (обработка наружного воздуха в центральном кондиционере с последующей подачей его в каждую зону и установкой на зональных ответвлениях воздушных регулирующих клапанов, позволяющих изменять расход приточного воздуха).

Упрощенные задачи по расчету расхода наружного воздуха

Расчет расхода наружного воздуха сводится к задачам:

1. Определение числа вентилируемых зон и соотношение их площадей. Вентилируемая зона – одно или несколько помещений с одинаковыми: назначением, видом деятельности людей, плотностью их размещения и нормой подачи наружного воздуха, приходящейся на единицу площади.

2. Выбор категории присутствия людей для каждой из указанных зон вентиляции по перечню, приведенному в Стандарте ASHRAE 62.1–2004.

3. Определение плотности людей для каждой зоны. Стандарт ASHRAE 62.1–2004 предусматривает категории населенности людей, которым соответствуют стандартные значения их плотности в зависимости от площади зоны. В случае, когда трудно прогнозировать численность людей на данной площади в реальных условиях при расчете требуемого количества наружного воздуха можно использовать типовые значения, приведенные в Стандарте ASHRAE 62.1–2004. Когда численность людей известна (например, при помощи программного обеспечения по архитектурно-планировочным решениям, подсчетом стульев или рабочих столов в зоне и т. д.) в расчетах следует принимать реальные значения. В случае работы в соответствии с Международными нормами на инженерные системы 2003 года (данные по численности людей приводится в качестве Приложения к Стандарту) следует пользоваться заданными величинами как минимальными. Если предполагается периодическое превышение расчетной численности присутствующих людей (проведение совещаний в офисе, зале для заседаний) в пределах зоны, в расчеты следует вводить множитель, характеризующий пиковое число людей.

4. Расчет наружного приточного воздуха в зоне дыхания на основании сочетания требований по числу присутствующих людей и площадям выполняется по таблицам из «Руководства для пользователей» ASHRAE 62.1– 2004 или с помощью соответствующего программного обеспечения.

5. Определение коэффициента эффективности воздухообмена по табличным данным стандарта для каждой вентилируемой зоны. Наи-худший случай для каждой зоны является расчетным. Коэффициент эффективности воздухообмена зависит от температуры приточного и удаляемого воздуха, температуры воздуха в помещении, схемы организации воздухообмена.

6. Определение минимально необходимого расхода наружного воздуха для каждой зоны из условия обеспечения качества воздуха для систем кондиционирования с переменным расходом воздуха. В методику расчета входит определение расхода наружного и рециркуляционного воздуха.

7. Проверка (при помощи расчетов) соответствия качества приточного воздуха для каждой зоны нормам Приложения А Стандарта ASHRAE 62.1–2004 в случае применения систем кондиционирования с двумя рециркуляциями, особенно для систем, в которых допускается использование рециркуляционного воздуха без смешения с наружным. В этих случаях требуется определять расходы воздуха, идущего на рециркуляцию из каждой зоны, а также их суммарное значение. Доля рециркуляционного воздуха от общего расхода приточного воздуха зависит от типа применяемой системы (с раздачей воздуха через систему воздуховодов или потолочного типа).

8. Расчет эффективности систем вентиляции на основании выбора вентилируемой зоны с минимальной эффективностью, которую следует называть «критической» зоной. Расчет производится для всех зон или группы. Поскольку для «критической» зоны требуется наибольший расход наружного воздуха, дальнейшие требования к принимаемым решениям по оптимизации работы систем кондиционирования воздуха (для снижения энергозатрат) следует принимать в соответствии с Приложением А Стандарта.

9. Мероприятия по увеличению эффективности воздухообмена в зонах в случае, если в «критической» зоне эффективность воздухообмена значительно занижена. Инженеру следует увеличить зональный приток воздуха на стадии проектирования, в частности, в «критические» зоны, где требуется наибольшая доля наружного воздуха.

Как правило, в ходе проектирования минимально необходимые значения расходов наружного воздуха в системах с переменным расходом определяются стандартами на офисные помещения, где нормированы значения минимально допустимой скорости приточного воздуха, санитарной нормы подачи чистого воздуха на единицу площади, расхода воздуха для систем отопления здания. Часто минимальные значения расхода наружного воздуха для одной зоны оказываются ниже значений, определенных для других зон, что в результате может приводить к завышению производительности систем кондиционирования воздуха. Расчеты по оптимизации расходов воздуха для одной или нескольких «критических» вентилируемых зон должны включать в себя коммерческое сопоставление сэконом-ленной электроэнергии на выбранных к применению системах кондиционирования воздуха с пониженным расходом наружного воздуха.

В качестве примера приводится таблица под заголовком «Процесс оптимизации». Оптимизация предполагает многовариантный процесс поиска наиболее экономичного расхода наружного воздуха без нарушений требований Стандарта ASHRAE 62.1–2004, который к тому же экономичен по времени.

Как видно из таблицы, повышение эффективности воздухообмена в вентиляционно-критической зоне снижает минимально необходимое количество наружного воздуха от начального значения 112,7 м³/м² площади (1 438 л/с) до 60,6 м³/м² (773 л/с) при соблюдении требований к обеспечению скорости приточного воздуха.

10. Определение расчетного количества наружного воздуха для системы кондиционирования воздуха.

Регулирование расхода приточного воздуха в местах пребывания людей

После проведения расчетов по определению количества наружного воздуха для каждой системы кондиционирования воздуха инженеру следует определиться с выбором оборудования для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, которое действительно обеспечит подачу требуемого количества наружного воздуха.

Системы механической вентиляции следует проектировать из условия поддержания заданного потока наружного воздуха при любых нагрузках на помещение. В Стандарте ASHRAE 62.1–2004 указано, что «В системах с переменным объемом воздуха следует предусматривать фиксированное положение клапана наружного воздуха, что соответствует минимальному значению приточного воздуха». В целях избегания завышения общего расхода наружного воздуха на систему кондиционирования воздуха, а следовательно, для экономии электроэнергии рекомендуется данные системы оснащать воздушными регулирующими клапанами, плавно изменяющими расходы приточного воздуха в зоны в зависимости от изменения в них температуры воздуха. В состав регулирующего воздушного клапана должно входить устройство для измерения воздушного потока. В Руководство по техническому обслуживанию должны быть включены нормативные таблицы для периодического проведения испытаний и регулирования воздушных клапанов на весь период эксплуатации систем.

Основные направления повышения эффективности вентиляции

В Стандарте ASHRAE 62.1–2004 указан ряд моментов, в результате которых может наблюдаться снижение эффективности воздухообмена в помещениях. Эти факторы могут быть устранены на этапе разработки проекта путем проведения следующих мероприятий:

• Выбора воздухораспределителей и клапанов, обеспечивающих подачу приточного воздуха в зону дыхания с заданной скоростью. Например, применение регулируемых диффузоров позволяет сохранять принятую схему распределения воздуха при уменьшении расхода воздуха и исключать образование «застойных» участков в помещении.

• Пересмотра способа отопления здания (например, замена водяного отопления с плинтусной разводкой на воздушное, и контроль в этом случае за температурой воздуха при увеличении его расхода).

• Анализа минимальных значений зональных расходов наружного воздуха в системах с переменным расходом и их выбор с учетом оптимизации, а также проверка достаточности тепловой мощности систем отопления по каждой зоне (на случай переохлаждения помещений при увеличении воздухообмена). а

• Установки резервного отопительного и холодильного электропотребляющего оборудования на случай его использования при увеличении расходов наружного воздуха, что предусматривается в Стандарте, разработанном Американским национальным институтом стандартов и Американским обществом инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха ANSI/ASHRAE 90.1–2004 «Ene-rgy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings» («Нор-мы расхода энергии для зданий (кроме малоэтажных жилых зданий)»).

• Рассмотрения возможности применения зональных систем кондиционирования воздуха, которые «берут» неиспользованный наружный воздух из смежных зон.

• Определения объема наружного воздуха для каждой системы кондиционирования воздуха. Количество наружного воздуха, принимаемое по методикам Стандарта ASHRAE 62.1–2004, следует считать минимально необходимым и принимать за базовую величину.

Выводы

Использование новых требований Стандарта ASHRAE 62.1–2004 повышает трудоемкость и продолжительность расчетов, которые раньше не проводились, поскольку существовала упрощенная методика определения расходов наружного воздуха. Инженеры полностью зависят от рекомендаций по проектированию, которые разрабатывает ASHRAE, и, хотя они очень обширны, основываются на многочисленных натурных исследованиях, наблюдениях и экспертных оценках специалистов, членов технического комитета. Расчеты, сопровождающие разделы проектирования по вентиляции и кондиционированию воздуха, являются важной составляющей процесса проектирования.

Литература

1. ТР АВОК–4–2004. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2004.

2. АВОК Стандарт–1–2002 «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена». – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002.

3. АВОК Стандарт–1–2004 «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена». – М. : АВОК-ПРЕСС, 2004.