Реферат: Методы расчета и способы обеспечения вентиляции

--PAGE_BREAK--Что умеет и что должна уметь современная система вентиляции.
Итак мы определили, что вентиляционная система помимо подачи свежего наружного воздуха необходимого для дыхания должна по возможности поддерживать и другие параметры отвечающие за комфортные климатические условия в помещении. Далее мы рассмотрим это подробнее.
Для того чтобы наружный воздух попал в помещение необходима приточная установка обрабатывающая поступающий воздух и система воздухов для его раздачи по помещению.
Для решения вопроса обеспечения санитарных норм необходимого для дыхания воздуха необходимый объем определяется из расчета на одного человека. Для того, чтобы подать этот воздух, необходимо его очистить от пыли и, при необходимости, довести его температуру до нормальной температуры в помещении. Ну представьте, что в помещение хлынет морозный воздух, как через распахнутое настежь окно, вряд ли кому-то нужна подобная вентиляция.
Вот и настал момент ввести новое определение, а именно, если вентиляционная система не только проветривает, что следует из определения, но и обрабатывает каким-то образом наружный воздух и стремится поддержать какие-то необходимые климатические параметры в помещении, то такую систему правомернее назвать системой кондиционирования воздуха или СКВ.
Кондиционирование воздуха(лат. condicio условие, требование) — создание и поддержание в закрытых помещениях и транспортных средствах состояния воздушной среды, наиболее благоприятного для самочувствия людей, протекания технологических процессов, работы оборудования и т. п...
Далее говоря о современной вентиляции мы будем употреблять определение СКВ, как наиболее полное и правильное.
Итак к функциям агрегата поставляющего свежий наружный воздух в помещение непременно относиться его предварительная очистка от пыли, поэтому любоя приточная установка содержит в своем составе секцию фильтрации. Степень очистки приточного может варьироваться по необходимости от простейшего фильтра, задерживающего насекомых и городскую пыль (класс EU3 или EU4 по классификации EVROVENT, Германия), до фильтров задерживающих микроскопические частицы (класс от EU9 и выше) применяемых, как правило в медучреждениях и «чистых цехах» в промышленности.
Далее подаваемый воздух следует довести до необходимой температуры.

Температура и влажность, скорость воздуха в помещении



Рис.2.

Температура и влажность воздуха в помещении являются важнейшими параметрами, определяющими состояния комфорта внутри помещения. Организм человека постоянно выделяет теплоту в зависимости от физической активности, так спокойно спящий взрослый человек выделяет в среднем около 80 Вт., а при больших физических усилиях уже 300 Вт.
Эта теплота должна отводиться от человека дабы не допустить перегрева )), отводиться это тепло главным образом путем теплообмена с окружающим воздухом, поэтому кроме одежды важным показателем теплового комфорта для человека является температура окружающего воздуха. Рекомендуемые значения температуры воздуха в помещении по различным стандартам находятся в пределах 20-22 С в имний период и 22-26 С — в летний. Еще один физический параметр внутренней атмосферы непосредственно влияющий не теплообмен организма человека это влажность воздуха, характеризующая его насыщенность водяными парами. Так недостаток влажности, менее 20 % относительной влажности, приводит к пересыханию слизистых оболочек, вызывает кашель, а превышение уровня влажности, более 65%, приводит к ухудшению теплоотдачи при испарении пота, возникает чувство удушья. Поэтому температура должна соотноситься с уровнем влажности. На графике представленном на рис.2 обозначены температурно-влажностные параметры ограниченные зеленым цветом, при которых человек чувствует себя комфортно. Действительно, если в Казахстане и при 30 С дышать можно, то в Питере при 26 С уже невыносимо, влажность разная. Еще один фактор влияющий на тепловой обмен человеческого организма с окружающим воздухом является скорость движения воздуха. Одно дело — выдержать 26 С, когда отсутствует всякое движение воздуха, другое дело — приятный бриз на бегу моря, однако и влажность и температура при этом будут те же.
Скорость воздуха определяется в рабочей зоне помещения т.е. там где находятся люди, а именно в пространстве от <metricconverter productid=«0,15 м» w:st=«on»>0,15 м. от пола до <metricconverter productid=«1,8 м» w:st=«on»>1,8 м по высоте и на расстоянии не менее <metricconverter productid=«0,15 м» w:st=«on»>0,15 м стен. Скорость воздуха в рабочей зоне рекомендуется в пределах 0,13-,025 м/с. при меньшей скорости — душновато или даже жарковато, при большей — просто сквозняк, допускать который имеет смысл только при повышении температуры нормативных значений.
Последний фактор непосредственно влияющий на температурный комфорт — температура ограждающих поверхностей. Температура стен, потолка и прочих поверхностей внутри помещения также вносят свою лепту в теплообмен человеческого организма благодаря инфракрасному излучению переносящему теплоту с этих поверхностей, которую тоже во многих случаях необходимо учитывать. Современные инфракрасные нагреватели позволяют поддерживать относительно низкую температуру воздуха в помещениях, при этом чувства холода нет, таким же образом приятно ощущать тепло камина в достаточно прохладной комнате.
Итак, мы рассмотрели все параметры определяющие климатический комфорт в помещении и возвращаемся к устройству СКВ, которые и должны по возможности поддерживать эти параметры.
Опытным путем установлено, что для поддержания температурных параметров необходима кратность не менее 5 — 5, 5 обменов, это обеспечит равномерность температуры в помещении и не допустит большой разницы температур обработанного приточного воздуха и необходимой температурой в рабочей зоне. Эта разница не должна превышать 2-4 С. Рассуждения очень простые, если необходимо поднять температуру воздуха в помещении — подавать подогретый воздух, если понизить температуру в помещении — охлажденный воздух, если температура в норме — подавать воздух с температурой помещения, дабы не нарушить установившийся тепловой баланс. Остается только определить температуру приточного воздуха, который смешавшись с внутренним воздухом даст необходимую температуру в рабочей зоне, вполне логично, что чем меньше количество подаваемого воздуха, тем больше должна отличаться его температура от требуемой в помещении, и наоборот, если объем достаточный, то температура может незначительно отличаться, в идеале воздух необходимой температуры просто заменит воздух ненормативной температуры. В этом месте можно сделать весьма значимый вывод — расход воздуха вентиляционной системы или системы кондиционирования воздуха находиться в пределах от минимально необходимого количества наружного воздуха для дыхания и расходом поддерживающим температурно-влажностные параметры во всем объеме помещения, если в помещении нет интенсивного выделения вредностей, которые необходимо удалять.
С этого момента необходимо определиться в подходах к решению такой задачи, а именно в нахождении оптимального соотношения наружного воздуха в общем расходе воздуха СКВ.
Поясню, совсем необязательно весь расход СКВ обеспечивать за счет наружного воздуха, для поддержания температуры или влажности вполне можно использовать рециркуляцию т.е. подавать воздух в обслуживаемое помещение, забирая его в том же помещении. В самом деле очевидно, что энергетические затраты на обработку воздуха в помещении при рециркуляции будут несоизмеримо меньше, когда обрабатываемый воздух по своим параметрам будет незначительно отличаться от нормативных, а это наиболее вероятно, когда этот воздух поступает в воздухообрабатывающий агрегат из обслуживаемого помещения, в котором и поддерживаются заданные параметры. По такому принципу работают большинство бытовых кондиционеров, они забирают воздух из помещения, охлаждают или нагревают (иногда и сушат) и выбрасывают в то же помещение, кратность обмена при этом не менее 5. ( При меньшем расходе снижается эффективность поддержания температурных параметров).
Но такие кондиционеры, как правило, не способны обеспечивать помещения свежим наружным воздухом, поэтому в дополнение к ним необходимо добавить приточно-вытяжную вентиляцию поставляющую наружный приточный воздух и удаляющую отработанный рассчитанную по санитарным нормам в расчете на количество людей. ( При этом общая кратность СКВ будет в пределам рекомендованных в Таб.2 т.е. 5-8 крат). При таком подходе энергетические затраты на обработку воздуха стремятся к минимальным т.к. обрабатывается минимально возможное количество наружного воздуха, который может максимально отличаться от необходимых параметров. СКВ на базе приточно-вытяжной вентиляции подающей воздух для дыхания и кондиционеров в каждом помещении, поддерживающих температурный режим, широко распространены, благодаря относительно невысокой стоимости и возможностью поддержания температурного режима в каждом помещения, конечно, если кондиционеры установлены в каждом помещении, а так же возможностью поэтапного ввода. Поэтапность ввода заключается в том, что на первом этапе, например при реконструкции офиса или квартиры можно ввести систему приточно-вытяжной вентиляции т.к. данная система требует установки сети воздуховодов, монтировать которую лучше до чистовой отделки, а в дальнейшем оборудовать помещения кондиционерами, причем тоже в порядке очередности и необходимости. Справедливости ради надо таки заметить, что такие СКВ получили распространение прежде всего потому, что о поддержании температурных параметров задумывались позже, а первоначально ограничивались только непосредственно вентиляцией. (Иной раз ошибочно предполагая, что и температурный режим будет обеспечен тривиальной подачей свежего воздуха).
    продолжение
--PAGE_BREAK--5 слов о больших системах вентиляции
Аналогично предложенной схеме функционирует схема СКВ на базе приточно-вытяжной вентиляции и системы чиллер-фэнкойл. Чиллер или холодильная машина служит для подготовки охлажденной воды, а уже охлажденная вода по трубопрорводам раздается по всему зданию для охлаждения воздуха в приточных камерах (центральных кондиционерах) или непосредственно в помещениях.
Последняя СКВ относиться уже к центральному кондиционированию, но так же обеспечивает и подержание климатических параметров в каждом помещении, но при этом на все здание или комплекс помещений устанавливается один чиллер для подготовки холодной или теплой воды, которая потом используется вентиляторными доводчиками или фэнкойлами, установленными в каждом помещении и отвечающими за температурный режим. Наружный воздух может подаваться как централизованно, так и независимо в каждое отдельное помещения, если применены фэнкойлы канального типа, которые допускают обработку наружного воздуха. Эта схема наиболее распространена на Западе, особенно в крупных зданиях. (Уровень западной экономики и ее акценты требовал и позволял строить подобные инженерные системы, не только в промышленных, но и в жилых и общественных зданиях).
Преимущества подобной системы в ее долговечности (20-30 лет — расчетные сроки эксплуатации) и возможности самых различных комбинаций по топологии и мощностей, удаленность фэнкойла (обслуживаемого помещения) может быть практически любая, в отличие от фреоновых систем, где длинна трассы редко превышает <metricconverter productid=«150 метров» w:st=«on»>150 метров и на очень крупных объектах это решительное ограничение. Важным преимуществам является и то можно рассчитывать системы, которые могут снять пиковые нагрузки, без увеличения производительности самого чиллера, для этого достаточно подобрать соответствующий бак аккумулятор в котором накапливается расчетный запас холодной воды, классический пример — ночной режим работы, когда чиллер работает на аккумуляторный бак ночью, когда доступна вся электрическая мощность, а тарифы на электрическую энергию снижены. При том, что коэффициент потребленной электрической энергии — COP у фреоновых систем выше, итоговые эксплуатационные расходы у СКВ на базе чиллера могут оказаться ниже, а также первоначальные капитальные затраты на всю систему.
Важно и то, что при использования СКВ на базе чиллер-фэнкойл можно не строить систему отопления, т.к. обогрев помещений произведут все те же комнатные фэнкойлы, причем в особо точном температурном режиме, для этого достатоно предусмотреть источник тепла, в водяном контуре системы кондиционирования, это может быть автономный котел или теплообменник от центральной теплоснабжающей магистрали.



Чиллер с воздушным охлаждением



Комнатный фэнкойл



Канальный фэнкойл — с притоком наружного воздуха

Мы же вернемся к более общему принципу организации СКВ, когда воздух в помещения подается от одного воздухообрабатывающего агрегата или центрального кондиционера (кондиционера с приточным воздухом), как наиболее общего случая с максимальным набором возможностей. Итак, если нет в помещениях выделения вредностей (в административных и жилых зданиях) в целях экономии применяют рециркуляцию. Ниже приведена принципиальная схема подобной системы.



Рис.4.

При такой организации приточная установка забирает определенный объем воздуха Vн. Из внешней среды, часть воздуха забирает из обслуживаемого помещения — Vр, смешивает эти потоки и обрабатывает и подает во внутренние помещения — Vп=Vн+Vр. Далее подаваемый приточный воздух необходимо распределить по обслуживаемым помещением добиваясь нормированной скорости в рабочей зоне и с учетом максимального эффекта перемешивания или вытеснения внутреннего воздуха. Этот классическая организация система кондиционирования воздуха. Подобная система позволяет поддерживать любые климатические параметры, о которых говорилось выше, или только часть из них по необходимости, в случае выделения вредностей, рециркуляция может быть уменьшена или полностью отсутствовать, в таком случае весь поступающий воздух в помещение будет наружным, также можно будет исключить рециркуляцию и в летний период, когда нет необходимости тратить энергию на догрев поступающего воздуха.
И наконец вернемся к функциональным возможностям или обязанностям, как будет угодно, СКВ. Кроме подачи и фильтрации наружного воздуха для поддержания всех климатических параметров СКВ должна уметь нагревать, охлаждать, увлажнять или осушать воздух, а так же его распределить необходимым образом. Как это осуществляется технически рассмотрим на примере центрального кондиционера или центральной приточной установки.
Нагрев — осуществляется электрическим калорифером или водяным (паровым ) нагревателями. Для нашей климатической зоны мощность калорифера, исходя из заданного расхода наружного воздуха, определяется приблизительно из расчета 15 кВт. на каждую тысячу м3 — немалое значение. Поддержание температуры осуществляется в первом случае ступенчатым регулированием мощности электрического нагрева или изменением расхода горячей воды или пара.
Охлаждение — процесс охлаждения воздуха происходит в секции охлаждения, которая может представлять водяной радиатор, в котором протекает холодная вода или другой хладагент (допустим незамерзающая смесь воды и гликоля), контролируя расход хладагента, можно контролировать степень охлаждения воздуха. Также секция охлаждения может представлять собой радиатор, в котором происходит кипение фреона, т.е. по сути это испаритель кондиционера (см.Принцип действия кондиционера) поступающего из компрессорно-конденсаторного блока. Степень охлаждения воздуха регулируется дискретным включением компрессора воздушно-конденсаторного блока, таким образом точно поддерживать температуру приточного воздуха невозможно, что накладывает иногда ограничения на использование такого метода. Охлаждение воздуха возможно также в процессе адиабатического увлажнения воздуха в камере орошения. Камера орошения представляет собой камеру в которой установлены форсунки распыляющие воду, испарясь вода забирает тепло у воздуха, при этом его увлажняет. контролировать температуру воздуха при таком методе сложно (только температурой воды) при этом не контролируется влажность, поэтому этот метод редко используется в качестве основного. Позже мы подробнее рассмотрим подготовку хладагента для секции охлаждения.
Осушение — осушение воздуха или удаление из него паров воды возможно двумя методами.
Первый основан на адсорбционном методе. Этот метод основан на сорбционных (влагопоглощающих) свойствах некоторых веществ — сорбентов. Имея пористо-капиллярную структуру, сорбенты извлекают водяной пар из воздуха. По мере насыщения сорбента влагой эффективность осушения снижается. Поэтому сорбент нужно периодически регенерировать, т.е. выпаривать из него влагу путем продувания потоком горячего воздуха. Секция осушения построенная по такому методу, как правило, представляет собой ротор половина которого проходит через приточный воздух, а вторая половина через камеру восстановления, в которой сорбент отдает влагу. Второй метод конденсаторный, основан на он охлаждения воздуха ниже точки росы, когда происходит конденсация водяных паров в жидкую фракцию.Охлажденный воздух при этом нагревают потом до необходимой температуры. Так как процесс нагревания и охлаждения так или иначе уже востребованы в СКВ, то второй метод более распространенный.
Увлажнение — возможно двумя способами. Непосредственным добавлением водяного пара в приточный воздух — пароувлажнение. Поддержание влажности осуществляется путем контроля расхода водяного пара. Недостатком данного метода является высокая энергозатратность, связанная с подготовкой пара путем нагрева воды до испарения.
Второй способ основан на адиабатическом увлажнение в оросительной камере, принцип которой мы уже рассмотрели выше. При определенной температуре воздух может впитать строго определенное количество влаги, контроль увлажнения осуществляется путем регулирования температуры воздуха поступающего в камеру орошения., после прохождения камеры воздух может быть нагрет при необходимости. Данный метод получил наибольшее распространение из-за технологической простоты и энергоэффективности.



Рис.5.



Выше приведена принципиальная схема и типичный внешний вид центрального кондиционера или приточной установки с полным набором функций. Порядок работы установки следующий наружный воздух смешиваясь с рециркуляционным из помещения (если это возможно и необходимо) поступает на фильтр необходимой степени очистки, далее поступает в секцию первого подогрева, в которой он нагревается в зимний период до температуры необходимой для камеры орошения, чтобы вобрать строго определенное количество влаги, (секция охлаждения зимой не задействована и не оказывает никакого влияния на приточный воздух), далее в камере орошения воздух впитывает влагу, при этом охлаждаясь (тепло уходит на испарение воды), и поступает на второй подогрев на котором он нагревается до необходимой температуры, если потребуется. В летний период наружный воздух требуется охладить и как правило осушить. Поступающий приточный воздух проходит сквозь неработающую секцию предварительного подогрева и поступает на секцию охлаждения, где охлаждается до температуры ниже точки росы для установленного влагосодержания, далее на каплеотделителе осядут капли конденсируемой влаги и воздух поступи т на второй подогрев, где и нагреется до заданной температуры, если таковое необходимо. Если в помещениях нет необходимости контроля влажности, то секции увлажнения и второго подогрева просто отсутствуют, такие установки вполне подойдут для административных или жилых зданий, где влажность не столь важна или может быть поддержана другими способами ( как правило только в зимний период необходимо увлажнение, а летом в процессе охлаждения воздуха он частично осушается ). Для промышленных же помещений, необходим полный комплект. Так в полиграфической или электронной промышленности контроль климатических параметров особенно важен, и там применяются именно такие центральные кондиционеры (так как в большинстве случаев рециркуляция нежелательна). СКВ на базе центрального кондиционера имеет и свои недостатки, основные конечно связанны со сложностью распределения приточного (обработанного) воздуха по помещениям. Сложность состоит в том, что в каждом отдельном помещение необходимо поддерживать заданные параметры, а центральный кондиционер доводит параметры обработанного воздуха до определенных значений ориентируясь как правило на помещение с усредненными параметрами или самое большое, а поддержание параметров климата в других помещениях осуществляется с меньшей точностью, путем выставления определенного расхода воздуха. Когда помещения сильно отличаются друг от друга по влаго- или тепловыделением применение центрального кондиционера может оказаться не лучшим решением. Классический пример — здание с фасадами на север и юг, тогда возникает ситуация, при которой в солнечный день нагревается южная сторона здания и в помещения по этой стороне необходимо подавать охлажденный воздух, но при этом в северной части охлаждение не нужно, а поступление свежего воздуха тем не менее должно быть всегда. В таком случае одним воздухообрабатывающим агрегатом не обойтись, если не применять зонального регулирования, суть которого сводиться к контролю климатических параметров в каждом помещении или группе помещений, путем управления центральным кондиционером в сочетание с регулированием расхода воздуха в каждом помещении. Т.е. подобная система в нашем классическом примере, система переключит центральный кондиционер в режим охлаждения и большую часть воздуха отправит в южные помещения, а в северных сократит расход воздуха до минимума, через некоторое время, когда в южном крыле параметры воздушной среды достигнут заданных параметров, система переведет центральный кондиционер в режим нагрева и максимальный поток будет направлен уже в северные помещения, при этом расход в южных помещениях сокращается до минимума. Применение центрального кондиционера с зональным регулированием в ряде случаев оправдано и позволяет сэкономить на капитальных вложениях, но описанный выше алгоритм работы, как видите, имеет свои недостатки и в ряде случаев такая СКВ не может быть применена, к тому же стоимость зонального регулирования иногда вполне сопоставима со стоимостью ряда независимых систем.
Нам же осталось рассмотреть способы воздухораспределения в самих помещениях.

Способы воздухораспределения
Мы уже определили, для нормального функционирования вентиляции или в более общем случае системы кондиционирования воздуха необходимо поддерживать определенный воздухообмен в помещении т.е. подавать определенное количество воздуха и одновременно удалять. Для транспортировки воздуха от места забора приточного воздуха до помещения и наоборот из помещения до места выброса используют сеть воздуховодов, такая схема вентиляции самая распространенная и называется канальной (по приточным и вытяжным каналам). Диаметры воздуховодов рассчитываются таким образом, чтобы они могли пропустить необходимый объем воздуха и при этом скорость потока в них была не выше предельно допустимой, выше которой шум потока превышает установленный уровень. Воздуховоды чаще всего делают из оцинкованной стали, при малых расходах и коротких сетях используют гибкие или полужесткие воздуховоды, реже пластиковые или воздуховоды из нержавеющей стали. В самом помещении воздух распределяется через воздухо-распределяющие устройства, тип воздухораспределяющих устройств определяется в зависимости от принятого воздухораспределения. Существует два основных метода — вентиляция вытеснением замещением и вентиляция перемешиванием.

Вентиляция перемешиванием — способ вентиляции, при котором свежий приточный воздух в помещение таким образом, что происходит его перемешивание с воздухом в помещении.


Рис.6.
    продолжение
--PAGE_BREAK--