Прерывистый режим работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха

Ю. Я. Кувшинов, доктор техн. наук, МГСУ

Н. В. Ткаченко, Хабаровский технический университет

Известно, что в ряду мер по сокращению энергопотребления системами вентиляции или кондиционирования воздуха существенный эффект достигается за счет снижения расхода приточного воздуха до минимально допустимого. Системы с переменным расходом воздуха не находят широкого применения, что связано с рядом технических трудностей их реализации.

Простой способ сокращения энергопотребления системами вентиляции и комфортного кондиционирования воздуха во многих общественных зданиях основан на использовании прерывистого режима работы систем. При таком режиме осуществляется периодическое проветривание помещения, а сокращение энергопотребления достигается за счет уменьшения суммарного времени действия систем.

При периодическом включении и выключении систем происходят колебания параметров микроклимата в помещении. Наибольшей изменчивости подвержены температура воздуха и концентрации СО₂. Поэтому управление процессом проветривания следует вести контролируя эти два параметра воздушной среды помещения, изменения которых не должны выходить за допустимые пределы. Для оценки возможности работы системы вентиляции в периодическом прерывистом режиме были проведены натурные исследования в зрительном зале отдельно стоящего здания кинотеатра в Москве.

В зрительных залах кинотеатров допускаются колебания температуры внутреннего воздуха ±1,5 °C. Отклонение температуры внутреннего воздуха от среднего значения исследовалось при различных режимах работы вентиляции и различной заполняемости зрительного зала. На рис. 1 показано изменение температуры внутреннего воздуха в течение общего периода работы системы Т = 1 ч и различной заполняемости зрительного зала при продолжительности работы системы вентиляции ∆Z = Т/2. Сплошная линия построена по теоретическим зависимостям (см. ниже) при заполняемости зрительного зала, равной 100 %, а точками показаны результаты натурных замеров при различной заполняемости. Как видно из рис. 1, при изменении заполняемости от 4 до 100 % отклонение температуры внутреннего воздуха от среднего значения составляет 0,6 °C при Т = 1 ч, 0,8 °C при Т = 1,5 ч и 1,2 °C при Т = 2 ч и не превышает допустимой величины.

Рисунок 1. Изменение температуры внутреннего воздуха при периоде Т = 1 ч

Измерения показали, что температура поверхности ограждений при прерывистой работе системы вентиляции изменяется незначительно. Отклонение радиационной температуры от средней величины при различных режимах работы системы вентиляции не превышало ±0,3 °C. Исключение составили случаи длительных перерывов между сеансами 1 ч и более. В это время в связи с продолжительным отсутствием теплопоступлений заметно падала как температура внутреннего воздуха, так и температура поверхностей (отклонение от средней величины в этом случае достигало 0,6 °C).

Относительная влажность внутреннего воздуха при периодической прерывистой работе системы вентиляции также изменяется незначительно (см. табл.). Как видно из таблицы, максимальное отклонение относительной влажности от средней величины составило 1,5 %. При наиболее длительном по продолжительности периоде Т = 3 ч максимальное отклонение относительной влажности от средней величины достигало ±2,5 % (при стопроцентном заполнении зала), но абсолютная величина относительной влажности не выходила за рамки комфортных значений.

Для изучения динамики концентрации СО₂ в воздухе помещения через определенные промежутки времени делались отборы воздушных проб в наиболее неблагоприятных точках зрительного зала. Анализ газового состава проб проводился в лабораторных условиях. На рис. 2 показано отклонение концентрации углекислого газа от среднего значения при Т = 1 ч. Сплошная линия построена по теоретической зависимости (см. ниже), а точками показаны результаты натурных замеров. Из рис. 2 видно, что концентрация СО₂ не превышает предельно допустимого значения. Таким образом, при прерывистой работе вентиляции комфортные условия в зале не нарушаются.

Рисунок 2. Динамика концентрации углекислого газа в помещении

Анализируя приведенные результаты натурных исследований, можно сделать следующие выводы:

• Отклонение температуры внутреннего воздуха от средней величины достигает предельно допустимого значения при максимальном заполнении зала только при значительной продолжительности периода работы системы (Т > 2 ч).
• Колебания температуры поверхностей и относительной влажности воздуха в помещении при работе системы вентиляции в прерывистом режиме незначительны и не влекут за собой нарушения комфортной обстановки в помещении. При достаточно частом включении и выключении системы вентиляции температура поверхностей и относительная влажность практически остаются неизменными.
• Определяющим параметром для выбора числа включений и продолжительности работы вентиляции является динамика концентрации СО₂, что следует учитывать при выборе режима работы системы. Дополнительные условия на режим работы системы налагаются колебаниями температуры воздуха.

Для выбора режима работы системы необходимо рассчитывать изменение концентрации СО₂ и температуры воздуха в вентилируемом помещении. За время проветривания помещения продолжительностью ∆Z концентрация СО₂ уменьшается и достигает величины

C₀ = M/L + C_H + (C_П – С_Н – М/L) exp(–L/V·∆Z), (1)

где М – интенсивность выделения углекислого газа, г/ч;
С_Н– концентрация СО₂ в наружном (приточном) воздухе, г/м³;
С_П– предельно-допустимая концентрация СО₂, г/м³.

В перерыве между проветриваниями концентрация углекислого газа повышается и к концу перерыва продолжительностью (Т – ∆Z) равняется

C_H = C₀ + M/V·(T – ∆Z). (2)

В формулах (1) и (2) V – объем помещения, м³.

Анализ формулы (1) показывает, что концентрация газа достигает значения, близкого к предельному С₀, при условии L/V · ∆Z, откуда требуемое время проветривания в ч допустимо принимать равным

∆Z = 3/n,(3)

где n– кратность воздухообмена в помещении.

Из формулы (2) следует, что время перерыва между проветриванием в ч, за которое концентрация газа достигает предельно допустимого значения, равно

∆Z_П = V/M·(C_П – С_Н) – 1/n.(4)

Из формулы (3) видно, что продолжительность проветривания не зависит от интенсивности газовыделения. В то же время, продолжительность перерыва между проветриванием ∆Z_П связано с интенсивностью выделений обратно пропорциональной зависимостью. Поэтому число включений системы, а следовательно и общая продолжительность ее работы, зависят от величины газовых выделений в помещении. В общественных зданиях величина интенсивности выделения углекислоты зависит от степени заполнения помещений людьми. В качестве примера на рис. 3 показаны параметры режима работы периодической вентиляции зрительного зала при переменном заполнении. Время проветривания зала по формуле (3) неизменно и составляет ∆Z = 0,42 ч. С уменьшением степени заполнения общий период Т цикла возрастает, а число включений системы N уменьшается. При этом увеличивается продолжительность перерыва ∆Z_П и снижается относительная продолжительность работы системы, а следовательно, и расход энергии системой.

Рисунок 3. Параметры режима работы системы периодической вентиляции

Ограничение колебания температуры воздуха в помещении налагает ограничение на температуру приточного воздуха, что, в свою очередь, сокращает возможность периодического проветривания. Отличительной особенностью процесса является то, что при малых периодах колебания, которые имеют место в периодическом проветривании, на изменение температуры воздуха оказывает определенное влияние теплоемкость объема воздуха помещения.

При низкой температуре наружного воздуха периодическое проветривание помещения возможно при любом заполнении людьми, так как тепловой баланс помещения может быть обеспечен системой отопления. С повышением температуры наружного воздуха уменьшаются теплопотери помещения, и при некоторой температуре они полностью компенсируются внутренними тепловыделениями. Дальнейшее повышение температуры наружного воздуха должно сопровождаться снижением температуры приточного воздуха, которое возможно до определенного предела. Отмеченные ограничения определяют область возможной периодической вентиляции. Пример такой области для зрительного зала показан на рис. 4.

Рисунок 4. Область возможного периодического проветривания зрительного зала

Как видно из рис. 4, возможность периодического проветривания охватывает широкий диапазон изменения температуры наружного воздуха и заполнения зала. Проведенные натурные обследования в теплое время года подтверждают этот вывод.

Оценивая в целом режим прерывистого проветривания помещения, отметим ряд преимуществ его по сравнению с режимом переменного расхода воздуха:

• Тепловая нагрузка на системы мала по величине, что связано с ограниченным допускаемым диапазоном изменения температуры внутреннего воздуха. Поэтому температура приточного воздуха приближается к температуре внутреннего воздуха. При этом отпадает необходимость использования специальных воздухораспределителей, обеспечивающих требуемую температуру в струе на входе в рабочую зону, и появляется возможность повышения начальной скорости воздуха в воздухораспределителе.
• Колебания температуры воздуха с достаточно высокой частотой, сопутствующие периодической вентиляции, благоприятны с гигиенической точки зрения (создание динамического микроклимата).
• Регулирование систем по рассмотренному методу освобождает от необходимости использования сложных средств автоматизации, так как осуществляется простой способ двухпозиционного регулирования.
• Осуществление этого способа регулирования не требует изменения традиционного принципиального решения систем, что позволяет применять его на действующих системах.
• Во вновь проектируемых и реконструируемых системах вентиляции могут приниматься повышенные скорости движения воздуха, а следовательно, меньшие сечения воздуховодов.