Проектировщику. Технологии DCV в системах вентиляции


Предисловие

Статья посвящена весьма актуальным вопросам вентиляционного обеспечения офисных зданий, учебных классов, аудиторий и других помещений, в которых до недавнего времени расчет требуемого количества свежего воздуха осуществлялся исключительно исходя из максимального количества присутствующих людей с учетом их физической активности.

Согласно отечественным требованиям СНиП 41-01-2003 (приложение М) в помещениях общественного и административного назначения минимальный расход свежего воздуха на одного человека составляет 60 м3/час, за исключением помещений, в которых люди находятся не более двух часов. В последнем случае минимальный расход свежего воздуха на одного человека составляет 20 м3/час.

 

В настоящее время в связи с совершенствованием строительных технологий имеет место существенное повышение герметичности зданий, в связи с чем наряду с метаболическими выделениями все большее значение приобретает фактор поступления в воздух вентилируемых помещений летучих органических соединений (Volatile Organic Compounds, VOC) с поверхности ограждающих конструкций, отделочных материалов и меблировки.

Снижение естественной инфильтрации/эксфильтрации воздуха даже в случае отсутствия людей при недостаточной механической вентиляции может приводить к повышению концентрации VOC, что в конечном итоге формирует так называемый синдром больных зданий (Sick Building Syndrome, SBS).

В данной связи, как в отечественной практике, так и за рубежом с некоторого времени расчет необходимого количества воздуха начал производиться исходя или с учетом площади помещений. Однако при этом имеются значительные расхождения используемых подходов и конечных результатов расчета.

Согласно новому американскому стандарту ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2004, требуемый расход воздуха в офисных помещениях составляет 5 куб. футов/мин на 1 чел. + 0,06 куб. футов/мин на кв. фут площади при нормативе загрузки офисных помещений 5 чел. на 1000 кв. футов площади.

Итого, на 1 кв. фут площади требуется 5x5/1000+0,06=0,085 куб. фут. /мин свежего воздуха. В отечественных единицах измерения это составит 0,085x10,764x10=15,54 м3/час на 10 м2. Обращает внимание сокращение требуемого расхода свежего воздуха по сравнению с ранее действовавшими нормативами (Standard 62-1973; Standard 62-1981; Standard 62-1981R; Standard 62-1989; Standard 62-1989R; Standard 62-1999; Standard 62-2001).

В соответствии же с современной отечественной классификацией офисные здания классов А, В+, В- должны обеспечиваться воздухообменом из расчета 60 м3/час на 10 м2 арендуемой офисной площади. Здания, не отвечающие данному требованию, классифицируются как здания класса С и ниже.

 

Таким образом, расхождение нормируемых показателей достигает практически 4-х крат. При этом следует иметь в виду, что избыточное количество свежего воздуха связано не только с повышенными капитальными вложениями, но и, главным образом, с увеличением текущих затрат, особенно в условиях холодного климата.

На современном этапе последнее обстоятельство привело к использованию технологий вентиляции по потребности (Demand-Controlled Ventilation, DCV), что особенно актуально в отечественной практике в связи с большими проектными значениями расходов воздуха в расчете на максимальную нагрузку.

Новый американский стандарт ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2004, регламентирующий, в отличие от предыдущих, минимально необходимое количество свежего воздуха независимо от присутствия людей, в то же время предусматривает динамическое изменение режимов работы (п. 6. 2. 7). Последнее реализуется средствами DCV путем регулирования количества подаваемого свежего воздуха сверх минимально необходимого по мере изменения реально складывающейся обстановки, определяемой количеством людей, присутствующих внутри вентилируемого объема.

В статье подробным образом рассматриваются основные стратегии DCV-управления в однозональных системах вентиляции путем автоматического изменения расхода воздуха непосредственно на основе оцениваемого количества присутствующих людей или косвенно - по результатам измерения концентрации CO2.

Предложенные алгоритмы обеспечивают энергосбережение и связанное с этим значительное сокращение текущих затрат. Оптимизация выбора алгоритма из представленного множества определяется спецификой объекта, а также возможностями и предпочтениями заказчика. Изложенные концептуальные решения и способы их практической реализации представляются весьма перспективными.

 Они согласуются с современными тенденциями усиления роли автоматики в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, что обусловлено непрерывным удорожанием материалов, используемых в их механической части, и удешевлением электроники.

Помимо ранее упомянутых видов обитаемых помещений, использование технологии DCV является эффективным в системах вентиляции баров, ресторанов, игорных залов и других объектов общественного назначения, характеризуемых крайне неравномерным профилем посещаемости.

ДИНАМИЧЕСКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ РЕЖИМОВ
Выдержка из стандарта 62.1-2004

6.2.7. Динамическое изменение режимов. Система может проектироваться с учетом изменения расхода свежего воздуха (Vot) и/или расхода воздуха, подаваемого в рабочую или обслуживаемую зону в зависимости от изменяющейся обстановки. Указанное изменение обстановки включает в себя следующие случаи, которые, однако, не исчерпывают все возможные варианты:

  • Изменение количества людей, присутствующих в одной или более индивидуальных зонах, а также потребного удельного расхода воздуха на человека, в соответствии с чем меняются требования по расходу свежего воздуха. Замечание: Примерами измерений, регистрирующих подобные изменения, являются следующие: дневное расписание, прямой подсчет количества людей, а также оценка количества присутствующих людей или удельного расхода свежего воздуха на человека с использованием датчиков, таких как, например, датчики концентрации CO2.
  • Изменение эффективности воздухораспределения при различных расходах воздуха и температурах.
  • Более высокая доля свежего воздуха на притоке благодаря забору дополнительного количества свежего воздуха в целях свободного охлаждения или компенсации вытяжки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

Исходя из изложенных соображений, предлагаемый вниманию читателей перевод статьи представляет несомненный интерес. Автор статьи, г?н Stanke, известен как наиболее компетентный специалист в рассматриваемой области, являющийся председателем комитета ASHRAE по разработке стандартов серии 62.1.

Остается надеяться, что анализируемые в статье алгоритмы DCV управления найдут широкое использование в отечественной практике. Объективной предпосылкой к этому является значительное удешевление за последние годы инверторных схем управления скоростью вентилятора путем использования все более доступных частотно-регулируемых приводов (Variable Frequency Drives, VFD).

 

 Вентиляционные системы проектируют в расчете на наибольшее количество свежего воздуха из ожидаемых минимально необходимых. В процессе эксплуатации системы зачастую работают со значительно меньшими расходами воздуха. При изменении обстановки в вентилируемых зонах изменяется и потребность в его количестве. Стандарт AHRAE 62.1?2004 допускает динамическое изменение режимов подачи воздуха в соответствии с реальной нагрузкой на систему вентиляции.

 

Динамическое изменение режимов

Раздел 6.2.7 стандарта 62.1-2004 (см. врезку «Динамическое изменение режимов») позволяет проектировщику:
  • изменять расход свежего воздуха на общем притоке;
  • изменять расход воздуха, подаваемого непосредственно в зону дыхания;
  • в зависимости от текущей потребности изменять оба эти расхода.
В разделе 6.2.7 приведены основные варианты обстановки (изменение количества людей внутри вентилируемого объема, варьирование эффективности вентиляции, изменения в работе приточной системы), которые могут потребовать динамического изменения режимов работы вентиляции.

 

Изменение количества людей внутри вентилируемого объема

В большинстве вентилируемых объемов количество людей непостоянно. Часто число присутствующих бывает меньше расчетного. Расчетное число использовалось при проектировании для определения максимальной производительности притока и максимального количества свежего воздуха в рабочей зоне.

Стандарт 62.1 допускает изменение расхода свежего воздуха на общем притоке и/или в зоне дыхания в зависимости от изменения числа присутствующих или необходимого удельного количества свежего воздуха в расчете на каждого человека. Для изменения режимов работы систем вентиляции требуется с приемлемой точностью оценить количество людей и/или необходимое количество свежего воздуха в расчете на каждого человека.

В стандарте 62.1 приводятся четыре метода оценки количества присутствующих людей и один метод оценки удельного количества свежего воздуха.
  • Прямой подсчет количества людей. В некоторых зонах вход и выход людей может быть организован через турникеты или входные и выходные двери с разделенным проходом. Соответствующие датчики и системы подсчета дают разницу между количеством входов и выходов, что соответствует количеству людей, присутствующих в обслуживаемом объеме. Для прямого подсчета числа присутствующих могут быть использованы продажа и контроль билетов. Некоторые магазины розничной торговли и лекционные аудитории организованы таким образом, что в них осуществим прямой подсчет присутствующих. Могут также использоваться индивидуальные датчики, сигнализирующие о присутствии человека в обслуживаемом объеме.
  • Присутствие людей. Косвенно оценить количество людей в обслуживаемом объеме можно по показаниям датчиков, реагирующих на присутствие людей. Датчики движения могут характеризовать степень активности людей в офисе или конференц-зале, а система управления, формируя соответствующую команду, изменяет режим работы вентиляции.
  • Дневное расписание. В некоторых зонах количество людей может быть оценено на основе дневных расписаний (time-of-day, TOD). Например, количество учеников в классной комнате начальной школы может быть довольно точно оценено на каждый час (школьное расписание). Пусть дневное расписание учеников пятого класса (25 человек в этом учебном году) предусматривает занятия в классной комнате с 8 до 10 утра, затем в художественной мастерской с 10 до 11 и затем с 11 до полудня вновь в классной комнате. Если в систему управления зданием введены данные о расписании работы классной комнаты, то изменять режимы работы система вентиляции может автоматически.
  • Оценка количества людей на основе измерений концентрации CO2 и расхода воздуха. В системе, состоящей из одного помещения, могут быть измерены концентрация CO2 в рабочей зоне и в наружном воздухе, а также расход воздуха. С учетом некоторой постоянной физической активности, эти данные могут быть использованы для оценки количества людей, присутствующих в помещении. При постоянной концентрации (уравнение 1 на врезке «Уравнения и Переменные»), количество присутствующих может быть определено в соответствии с уравнением 2. Но на практике обслуживаемые объемы редко находятся в стабильном состоянии. Помимо достаточно точных датчиков для измерения расхода воздуха и концентрации CO2, необходимо наличие контроллера, способного решать дифференциальное уравнение неустановившегося состояния. Физическая активность людей и интенсивность выделения CO2 могут варьировать в широком диапазоне, поэтому расчет характеризуется большими погрешностями. Из-за высокой стоимости, технической сложности и недостаточной точности метод используется редко. Однако не следует путать этот метод «расчета количества людей» по концентрации CO2 с обсуждаемым ниже традиционным методом «регулирование вентиляции по потребности» на основе CO2-измерений.
  • Оценка на основе CO2-измерений текущих значений удельного расхода свежего воздуха на человека. Динамическое изменение режимов вентиляции, связанное с изменением числа людей в помещении, следует рассматривать как «регулирования вентиляции по потребности» (Demand-Controlled Ventilation, DCV). Метод предполагает использование концентрации CO2 в качестве интегральной характеристики интенсивности метаболических выделений (соответственно - количества людей в помещении). DCV-управление обеспечивает регулирование притока свежего воздуха, ориентируясь на максимально допустимые концентрации CO2 и других продуктов метаболизма. Принцип DCV предполагает пропорциональное изменение одорометрических показателей и CO2 в зависимости от уровня физической активности. Интенсивность метаболических выделений может быть оценена с приемлемой точностью (уравнения статического состояния) почти так же, как оцениваются тепловая и холодовая нагрузки. В системе из одного помещения минимально необходимое количество свежего воздуха определяется разницей концентрации CO2 в атмосфере и внутри помещения (уравнение 3). Этот метод регулирования режима работы вентиляции обеспечивает подачу свежего воздуха в минимально необходимом (или несколько выше минимального) количестве.

УРАВНЕНИЯ и ПЕРЕМЕННЫЕ

 

Уравнения

 (1)

(2)                                                          

 

 

(3)

 

 

 

(4)

 

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Переменные:
Az
площадь обслуживаемой зоны, ft2 (м2)
Coa
концентрация CO2 в атмосферном воздухе, ppm
Cr
концентрация CO2 в зоне дыхания, ppm
Cr max
максимальная концентрация CO2 в зоне дыхания, ppm
Cr min
минимальная концентрация CO2 в зоне дыхания, ppm
Ez
эффективность воздухораспределения в зоне (см. стандарт 62.1, табл. 6-2)
k
интенсивность образования CO2, 0,0084 cfm на человека (0,0040 л/с на человека)
m
уровень активности присутствующих людей, met
Pz
количество присутствующих людей, чел.
Ra
удельный расход воздуха на единицу площади, cfm/ ft2 (л/с на м2)
Rp
удельный расход воздуха на человека, cfm/ft2 (л/с на чел.)
Vbz
расход свежего воздуха в зону дыхания, cfm (л/с)
Vot
расход приточного воздуха, cfm (л/с)
Votdes
расход приточного воздуха при проектном (максимальном) количестве присутствующих людей, cfm (л/с)
Vot min
расход приточного воздуха при минимальном количестве присутствующих людей, cfm (л/с)
Voz
расход приточного воздуха в обслуживаемой зоне, cfm (л/с)

 читать далее