Адаптивная инновационная система вентиляции

Обзор проблем.

Пришедшие в строительную и климатическую отрасли новые технологии, и обновлённые строительные правила слабо коснулись практики построения вентиляции многоквартирных домов.

Конечно, встречаются и рекуперативные системы, и современные приточные установки, и системы их автоматизации с контролем многих параметров микроклимата, но они остаются атрибутом отдельных, чаще «элитных» квартир, а не штатным оборудованием здания.

В большинстве случаев используется естественная вентиляция, которая не требует больших капитальных затрат, привычна для проектировщика, экспертизы, эксплуатирующих организаций. Несмотря на известные отрицательные стороны — отсутствие вентиляционного комфорта, жалобы потребителей и иски, — она, видимо, долго ещё будет основным техническим решением.

Устранение многих недостатков естественной вентиляции многоквартирных домов при сохранении привычных принципов и подходов, на наш взгляд, могло бы стать пусть не лучшим технически, но простейшим в практической реализации решением для российской строительной отрасли.

В частности, квартирная система отопления. Её проектирование производится с учётом как потерь тепла через ограждающие конструкции, так и тепла, необходимого для нагрева приточного вентиляционного воздуха в количестве, определённым нормами для обслуживаемого помещения [2]. В современных домах более половины площади поверхности отопительных приборов «посвящено» именно нагреву приточного воздуха [1]. Это означает, что если поставщик тепла выполняет обязательства, предписываемые температурным графиком, то тепла для организации воздухообмена в квартире достаточно.

Система вентиляции. Несмотря на многообразие возможностей [3], естественная вытяжка является в обычной квартире, как правило, единственным побудителем воздухообмена. При низких наружных температурах, когда тяга высока, вентиляция вполне работоспособна. Создаваемый перепад давлений достаточен для перемещения заданного нормами объёма воздуха с преодолением сопротивления не только вытяжного вентиляционного канала, но и приточной части системы: клапана или щелевого канала окна [2, 3].

• Однако свежий воздух поступает через приточное устройство холодным, с уличной температурой [4]. Компактная приточная струя, инициированная перепадом давлений, встречается с объёмным, но практически ламинарным восходящим от отопительного прибора потоком. Не успевая полностью смешаться, струя «прокалывает» его, «падает» в нижнюю зону и образует то, что называют сквозняком. Размещение приточного устройства вблизи отопительного прибора не решает эту проблему и к тому же создаёт предпосылки для его размораживания при аварийном отключении отопления.
• Другим недостатком квартирной вентиляции является её чувствительность к изменениям внешних условий и необходимость участия потребителя в управлении. Похолодание ведёт не только к снижению температуры притока, но и к увеличению тяги, а значит — к росту количества холодного воздуха. На систему оказывают влияние изменения силы и направления ветра, изменения условий вентиляции в других квартирах, подключённых к каналу. Всё это должен отслеживать потребитель, не имея объективных данных о текущем состоянии системы.
• И, наконец, ещё одна проблема, заложенная уже при проектировании. Расчёт вытяжки выполняют для наружной температуры +5 °C, а её проверку без учёта сопротивления приточной части — с открытым окном. Это гарантирует неработоспособность квартирной вентиляции при более высоких температурах. А температура выше +5 °C даже в условиях Сибири — это более пяти месяцев, почти половина года.

Потребителю предлагается в этот период пользоваться проветриванием через окна, игнорируя шум, пыль, совместный воздухообмен подсобных и жилых помещений. Выручает то, что потребитель, пусть и не всегда квалифицированно, сам исправляет ситуацию, устанавливая вместо решёток в подсобных помещениях вытяжные вентиляторы, выбор которых в продаже достаточен.

Решение проблем

В настоящей статье приведены некоторые результаты работ по созданию адаптивной вентиляции обычных квартир с использованием уже существующих систем. То есть вентиляции, пригодной как для новой застройки, так и существующего жилого фонда.

Квартирная система отопления. Чтобы устранить упомянутые недостатки, приточное устройство должно обеспечивать эффективный подогрев приточного воздуха и адекватную реакцию квартирной вентиляции на изменения внешних условий, адаптироваться к ним. Сделать это желательно на базе имеющегося в квартире оборудования, так, чтобы не только упростить проектирование, но и дать возможность потребителю самостоятельно исправить вентиляционные проблемы.

Поэтому была поставлена ещё одна задача. Разрабатываемое устройство должно быть взаимозаменяемым с уже нашедшими достаточно широкое распространение в практике приточными клапанами КИВ-125 и КВП-125.

В вентиляции сложно придумать что-то принципиально новое, но от электроподогрева приточного воздуха, используемого в децентрализированных приточных установках полной заводской готовности (Tion О2, Air Master и др.), решено было отказаться. Для большинства потребителей, не имеющих приборов учёта тепла, электроподогрев означал бы, что за тепло надо платить дважды, причём второй раз — уже по более высоким ценам электропотребления. А использование такого оборудования для многоквартирного дома и вовсе означает, что согласно [1] более 50 % отопительной мощности будет покрываться электричеством. Поэтому для подогрева приточного воздуха был использован иной принцип: передача тепла отопительного прибора путём принудительного смешения притока с большим количеством тёплого комнатного воздуха.

Такой принцип используется, в частности, в комнатных приточных приборах Sonair и Mobair.

 Основы адаптивной вентиляции

Рассмотрим на примере компании Aereco, которая давно занимается этой концепцией. Разработанная компанией Aereco в 1984 году гигрорегулируемая система вентиляции (режим регулирования расхода воздуха), до сих пор является одной из передовых технологий в вентиляционной области.

Согласно общепринятой практике, водораспределительные устройства работают по требованию, а не непрерывно. Тогда чем же отличается система распределения воздуха, когда каждый кубометр свежего воздуха, нагреваемого в течение всего отопительного сезона, может приносить существенную экономию и снижение воздействия на окружающую среду?

Концепция адаптивной системы вентиляции основана на принципе, который заключается в предоставлении жильцам достаточного количества свежего воздуха, когда он им необходим. Благодаря интеллектуальному управлению воздушным потоком экономия электроэнергии достигается в любое время, особенно когда необходимость в вентиляции низкая или отсутствует вовсе, что может составлять более половины всего времени. С другой стороны, любые действия, при выполнении которых происходит загрязнение воздуха в помещении, например: приготовление пищи, душ, стирка, или даже выделение химических соединений (мебель, отделка), приводят к необходимости создания большего воздухообмена для быстрого удаления загрязненного воздуха.

Поэтому каждую минуту адаптивная система вентиляции обеспечивает оптимизацию потребления тепловой энергии и качества воздуха внутри помещений в полностью автоматическом режиме. Каждая система компании Aereco проектируется с учетом этой концепции, которая, кроме создания комфортных условий для жильцов, обладает многими другими преимуществами системы вентиляции.

 Многочисленные дополнительные преимущества

Кроме высокого качества воздуха в помещении и оптимизации экономии электроэнергии, адаптивная система вентиляции обладает многочисленными косвенными преимуществами, связанными с сокращением среднего расхода воздуха:

	Сокращение среднего энергопотребления с помощью вентилятора                                      Благодаря снижению средней скорости воздухообмена, адаптивная система вентиляции позволяет вентилятору эффективно работать с расходом воздуха ниже его максимального значения, при этом потребляя значительно меньше электроэнергии. Данный аспект способствует продвижению систем вентиляции Aereco, по сравнению со стандартными системами рекуперации тепла. Поскольку последние системы имеют два электродвигателя, работающие с более высокой частотой вращения (больший средний расход воздуха), их применение подвержено штрафным санкциям в связи с воздействием на окружающую среду и потреблением электроэнергии (главным образом первичной).
	Менее интенсивное загрязнение фильтров, воздуховодов и вентиляционных устройств Статистическое сокращение потока воздуха, характерное для адаптивной системы вентиляции, приводит к уменьшению общего количества частиц, которые могут заблокировать компоненты, входящие в состав системы вентиляции, что прямо пропорционально общему объему воздуха, пропущенному через систему за определенный период времени. Таким образом, можно сократить объем технического обслуживания системы воздуховодов, а также потребление электроэнергии вентиляторами (при наличии фильтров).
	Увеличение срока службы вентиляторов            Благодаря уменьшению среднегодового потока воздуха, адаптивная система вентиляции позволяет сократить время работы вентиляторов, тем самым увеличивая их срок службы. Фактически, срок службы вентилятора зависит от мощности, с которой он работает, а эта мощность имеет прямое отношение к потребности в среднем расходе воздуха, проходящего через систему вентиляции.
	Больший воздухообмен для вытяжных устройств Регулирование расхода воздуха в системе воздуховодов, установленных как в индивидуальном, так и многоквартирном доме, позволяет избежать перегрузки в результате излишней скорости потока воздуха, которая может возникать в системах вентиляции с постоянным воздухообменом. Таким образом, расход воздуха в комнатах или жилых помещениях, для которых требуется меньший объем, перераспределяется в пользу комнат и жилых помещений с более высокой потребностью в вентиляции.
	Уменьшенный размер системы воздуховодов для уменьшения площади размещения Регулирование потока воздуха позволяет уменьшить размер системы воздуховодов вентиляции, используя тот факт, что в коллективной системе вентиляции все вентиляционные устройства не работают одновременно на максимальном уровне. Данное явление, называемое управлением временем подачи воздуха, было проверено при выполнении многочисленных натурных испытаний в реальных условиях, проводимых специалистами компании Aereco. Система воздуховодов может быть подобрана по размеру с учетом общего расхода воздуха, величина которого меньше суммы величин максимального воздухообмена, и уменьшена по сравнению с системами вентиляции с постоянным расходом воздуха, размер которых соответствует точной сумме потоков воздуха. Уменьшение размера приводит к получению воздуховодов меньшего размера и, следовательно, к меньшей требуемой площади размещения.

Режимы регулирования расхода воздуха для каждого типа загрязнений

Правильная вентиляция: данная концепция лежит в основе всего вентиляционного оборудования Aereco. Элементы  вентиляционной системы контролируются и управляются в зависимости от типа загрязнений и потребностей каждой отдельной комнаты. Чаще всего используются следующие режимы:

Гигрорегулируемый расход воздуха

Изобретенная в 1984 году компанией Aereco, гигрорегулируемая система вентиляции заключается в автоматическом (без использования электричества) изменении расхода воздуха в зависимости от уровня относительной влажности внутри помещения.

Точный и надежный автоматический датчик:

Выполняя функции датчика и привода гигрорегулируемой системы, преобразователь V8 подчиняется принципу известного физического закона:

• при увеличении влажности материя удлиняется,
• при уменьшении сужается.

В соответствии с этим законом 8 или 16 полиамидных полосок приводят в действие одну или несколько заслонок, регулируя поток воздуха в зависимости от уровня относительной влажности в помещении. Чем больше уровень влажности внутри помещения, тем больше открываются заслонки. Датчик находится изолировано от направления воздушного потока и измеряет уровень влажности только внутри помещении.

Кроме того, благодаря системе тепловой корректировки, процесс открытия заслонок происходит независимо от внешних климатических условий, даже зимой, когда абсолютная влажность ниже.

Влажность, как индикатор загрязненности воздуха:

Влажность – наиболее оптимальный индикатор загрязненности воздуха в жилом помещении. Приготовление пищи, принятие душа, стирка, глажка, уборка – все эти действия сопровождаются выделением водяного пара. Без соответствующей вентиляции и будучи в современной герметизированной квартире, повышенная влажность оседает в виде конденсата на более холодных поверхностях (окна, стены), что в перспективе ведет к образованию плесени *. Регулирование расхода воздуха в зависимости от уровня относительной влажности – эффективное решение проблемы конденсирования влаги. Повышенная влажность соседствует с такими загрязнителями воздуха как CO₂ (результат метаболизма) и кухонными запахами. Гигрорегулируемая вентиляция позволяет пропорционально адаптировать необходимый воздухообмен, удаляя указанные загрязнители.

* * Вода в жидком или газообразном состоянии является основной причиной, провоцирующей разрушительное влияние на здание. Если относительная влажность 40-60 % является непременным условием для нормальной работы дыхательной системы, то высокий уровень влажности оказывает вредное влияние и на состояние самого здания, и на самочувствие находящихся в нем людей.

Принцип работы гигрорегулируемой вентиляции Aereco:

Гигрорегулируемая система вентиляции Aereco изменяет проходное сечение в приточных и вытяжных устройствах за счет влагочувствительного датчика, который соединен с заслонкой, регулирующей воздухообмен.

Кроме того, благодаря системе тепловой корректировки, процесс открытия заслонок происходит независимо от внешних климатических условий, даже зимой, когда абсолютная влажность ниже.

Принцип: управление в зависимости от уровня относительной влажности воздуха.

Гигрорегулируемый датчик подчиняется принципу известного физического явления: при увеличении влажности некоторые материалы удлиняются, а при уменьшении – сужаются. В соответствии с этим принципом, 8 или 16 полиамидных полосок приводят в действие одну или несколько заслонок, регулируя поток воздуха в зависимости от уровня относительной влажности в помещении.

Чем выше уровень влажности внутри помещения, тем больше открываются заслонки. Датчик находится изолированно от направления воздушного потока и измеряет уровень влажности только внутри помещения. Кроме того, благодаря системе тепловой корректировки, процесс открытия заслонок происходит независимо от внешних климатических условий.

Гигрорегулируемая технология Aereco используется в приточных и вытяжных устройствах, которые располагаются в помещениях, где уровень влажности отражает степень загрязненности воздуха (спальни, кухни, ванные комнаты).

Ручное управление расходом воздуха

Принцип: управление расходом во время интенсивного загрязнения.

В помещениях, где относительная влажность не может быть использована в качестве оперативного индикатора интенсивного загрязнения (кухня, туалет и пр.), пользователь, посредством вытяжного устройства, может активировать пиковый расход воздуха для моментального удаления неприятных запахов. Включение пикового режима может производиться нажатием на кнопку, или с помощью пульта дистанционного управления. Эта функция может стать дополнением к гигрорегулируемой системе расхода воздуха.

     Пиковый расход от датчика присутствия                  

Принцип: автоматическое увеличение расхода воздуха при нахождении человека в помещении.

При нахождении в помещении человека, датчик присутствия автоматически активирует пиковый режим расхода воздуха. Данная технология позволяет экономить тепловую энергию, накопленную во время отсутствия людей в помещении.

Модуль состоит из пироэлектрического датчика, фиксирующего инфракрасное излучение, фокусируемое через линзу Френеля. С длиной луча 4 метра и углом обнаружения 100˚, датчик предлагает оптимальный режим работы. Датчик непрерывно измеряет инфракрасные лучи, и как только обнаруживает колебания, посылает сигнал для обработки на электронную карту, которая, в свою очередь, его анализирует и затем активирует привод, управляющий открытием створок вытяжного устройства.

Данная технология применяется в вытяжных устройствах, устанавливаемых в помещениях, где относительная влажность воздуха не может использоваться в качестве индикатора загрязненности воздуха (туалеты, офисы и пр.).

Использование датчиков  CO₂ или VOC                    

Принцип: управление воздушным потоком в зависимости от уровня концентрации CO₂ или VOC (летучие органические соединения).

Оба датчика управляются одинаковым способом: в зависимости от настроек. Когда уровень CO₂ (или VOC, в зависимости от версии оборудования) ниже установленного порога, расход воздуха остается на минимальном уровне. Как только концентрация загрязняющих веществ увеличивается, срабатывает пиковый расход, который длится до тех пор, пока качество воздуха не будет соответствовать первоначальным настройкам.

Параметры контроля расхода воздуха

Выбор параметров контроля расхода воздуха зависит от типа помещений и фактических потребностей в свежем воздухе находящихся внутри людей. Ниже представлена таблица с указанием предпочтительных модификаций вытяжных устройств в зависимости от места предполагаемого размещения:

Помещения жилого дома, здания	Влажность	Присут-ствие	Влажность + переклю- чатель	Влажность + присутствие	Присутствие с задержкой	Влажность + присут-ствие с задержкой
Кухня	++		++++
Ванная	++++		+++	+++		+++
Туалет		++++	++	+++	++++	+++
Совмещен-ный санузел	+	+	++	+++		++++
Постироч-  ная	++++		+++			+
Школы
Классные комнаты		+++		+	+	+
Туалеты		++++	++	+++	++++	+++
Администра-тивные здания
Офисы		+++		+	+	+
Переговор-ные		+++		+	+	+
Фитнес    центр
Раздевалки	+++	++	++	+++		+++
Душевые	++++		+++	+++		+++
Корабли
Каюты (ванная – туалет)	++	++	+++	+++	++	++++
Дом на колесах
Кухня	++		++++			+++
Ванная и туалет	+	+	++	+++	+	+++

Помещения жилого дома, здания	Углекислый газ (CO2)	Летучие органические соединения (VOC)	Дистанционное управление	Фиксированный расход, установленный при монтаже
Кухня		++	+++	+
Ванная			+
Туалет	++	+++	+
Совмещенный санузел		++
Постирочная				++
Школы
Классные комнаты	++++	++++		+
Туалеты	++	+++	+
Административные здания
Офисы	++++	++++		+
Переговорные	++++	++++	+	+
Фитнес центр
Раздевалки	++++	++++	+	+
Душевые			+	++
Корабли
Каюты (ванная – туалет)	++++	+++	++	+
Дом на колесах
Кухня	+++	+++	+++	+
Ванная и туалет	+++	++++	++	+

Среди параметров регулирования адаптивной системы вентиляции присутствует метод, который, благодаря своим многочисленным преимуществам, чаще всего используется в жилых помещениях:

Адаптивные естественно-механические (гибридная или комбинированная) системы вентиляции

Реализовать уникальную вентиляцию, работающую по принципу систем «умного» дома-включаюсь автоматически, дозировано, если чувствую присутствие людей, при этом не выдуваю в трубу драгоценное тепло зимой, имеющую максимальную простоту в монтаже, предельно низкие затраты на содержание и обслуживание, позволяющую избежать затрат на проектирование громоздких воздуховодов, имеющую мизерное , при этом сокращающее расходы на отопление дома до 40%, помогают адаптивные естественно-механические системы вентиляции AERECO, основанные на принципе естественной тяги.

• Если владельцу квартиры еще как-то придется доказывать комунальщикам экономию расходов на отопление, установив индивидуальную систему вентиляции AERECO,
• то владельцу коттеджа с автономной системой отопления сразу станет очевидно значительное уменьшение расхода газа, потребляемого автономным котлом, после установки системы вентиляции AERECO.
• На стадии проектирования и строительства вентиляционные стояки, изготовленные из тяжелых и занимающих много внутреннего пространства строительных материалов, заменяются легкими и компактными воздуховодами, соединяющими вытяжные решетки ванн, санузлов и кухонь каждого этажа коттеджа с центральным вентилятором, устанавливаемым быстро и легко в любом удобном месте чердачного пространства.

В нашем случае побуждающее приток устройство в квартире уже есть, поэтому для рециркуляции и смешения достаточно низконапорного малошумного вентилятора. Он размещён в мягком ложементе (рис. 1), исключающем передачу вибрации на корпус прибора. Вторая часть — клапан, пропускающий свежий воздух, выполнен регулируемым. Из нескольких проверенных вариантов была выбрана конструкция с электроприводом и винтовой передачей, перемещающей тарелку клапана в осевом направлении.

Рис. 1. Схема работы данного устройства.

Через приоткрытый клапан за счёт перепада давлений, созданного главным образом вытяжной вентиляцией, поступает свежий холодный воздух. Вентилятор всасывает тёплый комнатный воздух и смешивает его с воздухом из клапана. Температура смешения контролируется на выходе из вентилятора, а её значение определяет положение клапана и количество приточного воздуха. То есть величина притока не постоянна, как в обычных приточных установках, — она адаптируется, приспосабливается к изменяющимся условиям.

Данный алгоритм — практически «человеческий». Если на улице тепло — откроем форточку, похолодало — прикроем, включили отопление — снова откроем, подул ветер — прикроем.

Приток зависит от выбранной потребителем производительности вентилятора и заданной допустимой температуры смешения. Чем выше обороты вентилятора, тем больше комнатного воздуха вовлекается в процесс смешения — тем больше будет и приток. Чем ниже заданная температура, тем при прочих равных условиях больше поступит свежего воздуха. Диапазон задаваемых температур лежит ниже комнатной — это температуры тёплого осеннего дня, когда мы не боимся держать форточку открытой.

Отметим также, что задаваемая температура смеси является по сути внутренним, технологическим параметром. Вентилятор формирует «воздушный факел», который вовлекает в смешение дополнительные массы комнатного воздуха за пределами прибора. Поэтому уже на расстоянии 0,5 м от прибора, в начале зоны обслуживания, температура потока незначительно отличается от комнатной.

Если температура смеси остаётся выше заданной, то клапан, открываясь, уже не увеличивает своё проходное сечение, а постепенно перекрывает канал всасывания комнатного воздуха (рис. 2). При этом приточный клапан становится механической приточкой, компенсирующей, по крайней мере частично, летнее отсутствие тяги вытяжной вентиляции.

Внешний вид вентиляционного прибора приведён на рис. 3. Все его элементы прикрыты декоративной лицевой панелью. Потребителю предоставлена возможность выбора скорости вращения вентилятора и температуры смешения либо на панели встроенного контроллера, либо дистанционно, с помощью пульта ДУ или мобильного приложения для операционной системы Android.

Появление вентилятора в составе комнатного устройства заставляет считаться с его шумом. На рис. 4 приведены достигнутые шумовые характеристики, замеренные на расстоянии 1 м от прибора. Они позволяют, пользуясь балансовыми соотношениями, рассчитать объём притока (рис. 5) при переменной наружной температуре для характерных режимов работы: ночном — 30 дБ(А), дневном — 40 дБ(А) и форсированном — 47 дБ(А).

При экстремально низких температурах объём притока может стать ниже санитарной нормы. Но,:

• во-первых, длительность действия таких температур, как правило, мала.
• А во-вторых, преодолеть недостаток притока при необходимости можно, настроив прибор на большие обороты вентилятора или задав более низкую допустимую температуру воздушной смеси.

В приборе сохранена также возможность естественного притока без включения вентилятора, но с возможностью выбора проходного сечения клапана.

Экспериментальные образцы успешно прошли лабораторные проверки и двухгодичные натурные испытания в условиях Сибири. Основные достигнутые характеристики приведены в табл. 1. Любые изменения тяги вытяжной системы, связанные с изменением температуры, силы и направления ветра, приводят к изменениям притока, а, следовательно, температуры смешения.

Это сразу «парируется» автоматикой, изменяющей положение клапана. Точно так же парируются изменения наружной или комнатной температуры.

То есть простейшее устройство, потребляя всего 5 Вт и используя имеющиеся в квартире системы отопления и вытяжной вентиляции, позволяет устранить их недостатки, адаптируя режим вентиляции к любым внешним воздействиям. Оно даст возможность проектирующим и эксплуатирующим организациям избавится от вопросов, на которые сегодня у них нет ответов, а потребителю добавит уют в квартире.

В заключение

Адаптивная энергоэффективная гибридная вентиляция устанавливается в квартиру, многоквартирные жилые дома, загородные дома, коттеджи, офисные помещения, школы, детские сады, салоны красоты, банки, храмы и т.д.  с целью создания нормативного комфортного микроклимата, существенной экономии на энергозатратах, монтаже и техническом обслуживании.

Источники:

1. Табунщиков Ю.А. Микроклимат и энергосбережение: пора понять приоритеты // АВОК, 2008. №5. С. 4–11.
2. СП 60.13330.2016. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуал. ред. СНиП 41-01– 2003.
3. СТО СРО НП СПАС-05–2013. Расчёт и проектирование систем вентиляции жилых многоквартирных зданий.
4. Рымаров А.Г., Кравчук В.Ю. Исследование применения воздушных клапанов в квартире жилого здания в холодный период // Журнал С.О.К., №12. 2016. С. 70–71.
5. Подробней: