Понятие «вытесняющая вентиляция» означает, прежде всего, такую организацию воздухообмена в помещении, при которой обеспечивается беспрепятственное восхождение конвективных потоков над источниками тепловыделений в верхнюю зону помещения.
Принцип работы системы вытесняющей вентиляции, в основу которого положен приток воздуха в обслуживаемую зону и удаление воздуха и горячих газов на уровне потолка, известен и применяется уже сотни лет на промышленных объектах, главным образом на объектах тяжелой промышленности. В последние 20 лет системы вытесняющей вентиляции стали использоваться еще шире, причем не только в промышленности. К несчастью, многие разработчики не придавали должного значения ограничениям, которые имеются у данных систем.
В результате они зачастую применялись с проектными ошибками, а иногда и в таких случаях, когда их использование просто-напросто противопоказано. И наоборот, когда система корректно рассчитана, спроектирована и смонтирована, она имеет целый ряд бесспорных преимуществ по сравнению с системой перемешивающей вентиляции, особенно в помещениях с высокими потолками.
Удаление нагретого и загрязненного воздуха из помещения осуществляется из верхней зоны, а приток чистого, холодного воздуха в нижнюю зону помещения – на уровне пола. Таким образом достигается существенное улучшение качества воздуха по сравнению с помещениями с перемешивающей вентиляцией. В современной архитектуре со столь модным сейчас остеклением до пола заслуженное признание получили встраиваемые в пол конвекторы. Компания Kampmann (г. Линген, Германия), является лидером в производстве отопительных и вентиляционных приборов и вот уже более сорока лет занимает ведущие позиции в сегменте производства встраиваемых в пол конвекторов, главным преимуществом которых является возможность нагревания и охлаждения воздуха непосредственно перед остекленным фасадом.
Система вытесняющей вентиляции Katherm QL фирмы Kampmann разрабатывалась совместно с проектировщиками и архитекторами. При помощи этой системы можно использовать встраиваемые в пол конвекторы в качестве вентиляционных «доводчиков». В этом случае отпадает необходимость в прокладке воздушных каналов под потолком, что дает возможность увеличить высоту проектируемого помещения. При строительстве высотных зданий такая система позволяет спроектировать большее количество этажей, что является весомым аргументом для инвесторов при выборе вентиляционной системы объекта.
Системы Katherm QL обеспечивают эффективный обогрев помещения и равномерное распределение приточного воздуха. Так, высокопроизводительные конвекторы надежно экранируют помещение от нисходящих потоков холодного воздуха, а низкоскоростные воздухораспределители прекрасно подходят для направленной подачи обработанного воздуха. Распределители воздуха Katherm QL разработаны на основе последних исследований в области вентиляции помещений. Оснащенные решетками с большим живым сечением, они обеспечивают требуемый приток наружного воздуха в помещение. При этом скорость и температура воздушной струи в прилегающей к воздухораспределителю зоне остаются на достаточно низком уровне, что обеспечивает комфортный микроклимат в помещении.
В режиме охлаждения температура приточного воздуха на 2-4°C ниже температуры воздуха в помещении, а скорость воздушной струи не выше 0,3 м / с. Воздухозаборные и воздухораспределительные устройства позволяют регулировать расход и направление потоков теплого воздуха от высокопроизводительного конвектора Kampmann и, одновременно, холодного воздуха, подаваемого через низкоскоростной воздухораспределитель. Обработанный охлажденный воздух из канала поступает в помещение снизу и заполняет обслуживаемую зону, образуя устойчивый слой. В этой охлажденной зоне свежий воздух постепенно нагревается и за счет естественной конвекции поднимается в верхнюю часть помещения. Происходит воздухообмен, характеризующийся малой турбулентностью воздушного потока и помещение заполняется приятным прохладным воздухом. Воздух, забираемый из помещения, проходит через теплообменник конвектора и нагревается. Затем нагретый воздух смешивается с воздухом, находящимся у холодной поверхности оконного стекла. Это позволяет избежать понижения температуры воздуха в зоне окна. К числу преимуществ системы вытесняющей вентиляции Katherm QL следует отнести высокую эффективность экранирования исходящих от окна потоков холодного воздуха и возможность увеличения полезной площади помещения, поскольку не требуется установка отопительного прибора под подоконником, а все коммуникации (электропроводку, трубы теплоносителя, воздуховоды) могут быть размещены под фальшполом. В зависимости от конструктивных особенностей зданий, конструкций фасадов и полов, а также с учетом пожеланий заказчиков, архитекторов и проектировщиков, возможна реализация различных индивидуальных решений для отопления, охлаждения или вентиляции помещений на основе приборов Kampmann.
UFAD-системы вентиляции
Начиная с 1995 года количество офисных зданий со съемным полом и размещением приточных воздуховодов в подпольных каналах (UFAD-системы) увеличилось примерно на 40%. Столь высокий прирост можно объяснить четырьмя основными преимуществами систем UFAD над традиционными системами распределения воздуха:
- низкая стоимость; возможность быстро и без излишних затрат производить изменение конфигурации офиса, не затрагивая системы вентиляции;
- высокое качество воздуха в помещении (IAQ) благодаря поставке охлажденного воздуха непосредственно в зону вентиляции;
- низкий расход электроэнергии вентиляторов и охлаждающих устройств;
- возможность уменьшения пространства между полом и потолком помещений, с целью снижения затрат при проектировании помещений и здания в целом.
Несмотря на увеличивающуюся популярность систем UFAD, информация об их применении не является широко распространенной. В данной статье рассмотрены вопросы проектирования, сооружения и ввода в эксплуатацию систем UFAD.
Этап проектирования: Расчёт объемов охлаждаемого воздуха
На этапе проектирования необходимо учесть три основные особенности UFAD-систем, чтобы максимально точно определить необходимый объем воздуха в здании и каждом помещении:
- Во-первых, в случае с потолочными системами воздухораспределения, эффективной зоной обслуживания является все пространство между полом и потолком, поскольку воздух между ними смешивается достаточно хорошо. Для систем UFAD рабочим пространством является пространство от пола до уровня 1,8 м над его поверхностью. Это означает, что некоторая часть воздуха не будет попадать в зону обслуживания.
- Во-вторых, при размещении вентиляционных решеток близко к стенам здания, конвекционный приток нагретого воздуха может сразу же перенаправляться в них, что предотвращает его попадание в зону обслуживания. Оба фактора приводят к снижению объема нагретого воздуха в рабочем пространстве и, в конечном итоге, влияют на расчет объемов охлаждаемого воздуха (см. Рисунок 1). При использовании потолочных систем(перемешивания воздуха) температура воздушной среды в помещении считается равномерной от пола до потолка. Для систем UFAD используется стратификация температуры в помещении, при которой нагретый воздух и различные загрязнители концентрируются в верхних уровнях. В действительности, стандартом ANSI/ASHRAE 55-2004 допускается изменение температуры на уровнях головы и пола на величину 3°C.
При проектировании воздушной системы UFAD без учета температурной стратификации в зоне обслуживания будет создаваться избыточный воздушный поток и увеличится расход электроэнергии (см. Рисунок 2).
По причине стратификации, при проектировании систем UFAD рекомендуется принимать за расчетное значение температуру, на 1-20C превышающую аналогичное значение для потолочных систем, что также должно отразиться на расчете объемов охлаждаемого воздуха.
- В-третьих, отличие в расчетах касается переноса тепла из верхних уровней обслуживания (а также теплого воздуха из вентиляционных воздуховодов в многоэтажных зданиях) в воздуховод с охлажденным воздухом (см. Рисунок 3).
Такой перенос тепла и вызываемое им изменение температуры также должны учитываться при расчетах для каждой из рабочих зон. Переносимый из зоны обслуживания нагретый воздух приведет к снижению количества поступающего в помещение охлажденного воздуха. Как правило, температура поступающего воздуха не должна подниматься более чем на 2°C с момента входа в подпольный воздуховод до момента попадания в охлаждаемую зону. В случае потенциально больших потерь температуры охлажденного воздуха в помещениях с большой площадью рабочей зоны, следует использовать нелинейную систему коротких воздуховодов для подачи поступающего воздуха.
Этап проектирования: Переменный и постоянный объемы воздуха
Возможные тепловые потери являются одной из причин выбора систем UFAD с переменным расходом воздуха (VAV). Было установлено, что температура поступающего воздуха в подпольном вентиляционном канале не всегда остается равномерной и может изменяться с течением времени. Надлежащим образом спроектированная система VAV/UFAD способна устранить такие температурные отклонения. Для достижения максимально комфортной температуры в помещении, применение автоматических регуляторов VAV вместо ручных VAV-диффузоров, может быть более удобным решением.
Этап проектирования: Вентиляция
В любой из систем VAV обеспечение минимального уровня вентиляции всегда представляет собой сложную задачу, поскольку заниженная эффективность системы может привести к снижению объемов поступающего воздуха, что станет причиной недостаточной вентиляции воздуха в помещении. Для обеспечения надлежащей эффективности вентиляции в системах VAV/UFAD некоторые производители предлагают использовать дополнительные раструбы в качестве фиксаторов заслонок. Другие рекомендуют использовать системы VAV с последовательно установленными вентиляторами, обеспечивающими необходимый поток и температуру воздуха.
Минимальные требования по вентиляции будут также выполнены, если проектировщиком будут учтены возможные потери воздуха из подпольного воздуховода в охлаждаемое пространство. Как и в случае с воздуховодами в потолочных системах, из подпольного вентиляционного канала происходит незначительная утечка воздуха сквозь диффузоры, панели съемного пола и розетки (телефонные, компьютерные и прочие). Такие потери также влияют на объем и температуру воздуха, поступающего через диффузоры. Не учитывая эти изменения, нельзя гарантировать точность расчетов необходимого объема воздуха.
Благодаря возможностям точного измерения уровня CO2 в помещении, системы UFAD также дают возможность снижать общий объем вентилируемого воздуха по сравнению с потолочными системами. Вместо вентиляции всего пространства от пола до потолка, система UFAD позволяет обеспечивать вентиляцию только рабочей зоны. При этом, система мониторинга уровня CO2 позволяет оценивать уровень вентиляции независимо от состояния воздушной среды на уровне выше 1,8 м от поверхности пола.
Этап проектирования: Учет воздушных потерь
Хотя небольшие потери и допускаются для обеспечения естественной вентиляции помещения, избыточная утечка воздуха сквозь панели пола и другие возможные пути проникновения могут приводить к нарушению комфортных условий и вызывать перерасход электроэнергии. По этой причине, на этапе проектирования важно подробно указать способы предотвращения утечки воздуха из воздуховодов. Рекомендуется контролировать герметичности мест соединения перекрытий и внутренних шахт, тщательно осматривать места соединения с колоннами и пересечения съемного пола с различными трубами, каналами и кабелями. Необходимо так же обратить внимание на защиту пространства пола от затопления. Проектировщик должен определить вероятность затопления водой в случае прорыва трубы и, если такая возможность существует, в проект системы необходимо включить спускные отверстия в полу с клапанами давления.
Объемы утечки воздуха в системах со съемным полом зависят от производителя, типа и расположения покрытия самого пола. На этапе проектирования следует указать возможную скорость утечки, не превышающую минимальную скорость поступающего из системы VAV потока воздуха, а также определить способ тестирования на предмет наличия потерь при вводе системы в эксплуатацию. Уровень потерь воздуха в системах UFAD может составлять от 20 до 25% от общего объема воздуха, однако, в хорошо отрегулированной системе утечки воздуха составляют не более 10-15%. Для сравнения, в потолочных системах(перемешивания воздуха) уровень потерь в среднем составляет 20% общего объема воздуха, и, при этом, теряемый воздух попадает в рециркуляционный канал, а не в зону обслуживания.
Этап проектирования: Высота воздушного канала под полом
Важно обеспечить достаточное пространство и свободный доступ к устройствам, которые должны быть установлены под съемным полом (RAF), поскольку свободный доступ окажется крайне важным при выполнении регулярного технического обслуживания, ремонта, либо настройки оборудования.
Для установки систем UFAD обычно требуется съемный пол высотой от 305 до 457 мм. Лабораторные исследования показали, что минимальная высота съемного пола для установки системы равномерного воздухораспределения составляет 203 мм. Однако, высота пола часто зависит и от высоты подпольных вентиляторов (в случае их использования) либо от размера панелей пола. Высота подпольных вентиляторов обычно составляет от 203 до 406 мм для больших отопительно-охладительных агрегатов. Для больших панелей ограничением может оказаться размер воздуховодов (обычно ограничиваемый в ширину 559 мм, расстоянием между опорами панелей).
Этап проектирования: Воздуховоды и устройства подачи воздуха
Система UFAD требует особой конфигурации воздуховодов. Поступление рециркуляционного воздуха в помещение должно быть ограничено максимальным значением в 2,5 м/с, а заборник должен размещаться над рабочей зоной. Поток воздуха, движущийся быстрее, вызовет нарушение температурной стратификации воздуха, которая необходима для тщательно спроектированной системы UFAD. Комбинацию противопожарных, дымовых и управляющих заслонок также следует подбирать таким образом, чтобы обеспечить необходимые возможности управления потоком воздуха.
Схемы подачи воздуха в помещения:
Как и при проектировании потолочных систем, в данном случае важно учитывать взаимосвязь скорости потока воздуха и вызываемого им шума. Для снижения уровня шума рекомендуется ограничивать скорость потока воздуха, поступающего в подводящий канал, значением 7,6 м/с. При этом следует все же иметь в виду, что системы UFAD обычно создают меньший шум, нежели потолочные системы. Но, при этом, инженерам-проектировщикам нужно рассмотреть возможность установки шумоизоляции в зонах с невысокой численностью сотрудников.
Устройство управления потоком воздуха должно соответствовать большинству, либо всем минимальным требованиям по вентиляции, поэтому рекомендуется указывать минимальные требования по скорости потока воздуха на рабочем чертеже каждого устройства. Кроме того, устройства управления потоком воздуха должны обладать функциями повторного подогрева, обеспечивая возможность подачи теплого воздуха (с температурой около 16°C против 13°C) без повышения уровня влажности в зоне обслуживания, что является одним из требований для данных систем.
В большинстве случаев рекомендуется использовать один основной блок управления потоком воздуха с возможностью рециркуляции (см. Рисунок 4). Стандартное расположение приемных и обходных воздуховодов не является аналогичным рециркуляционному каналу, что приводит к чрезмерно высокому уровню влажности в помещении. Другие, более дорогостоящие методы повторного нагрева, включают использование нагретого газа, обогрев обводными тепловыми трубами, либо использование трех вентиляторов (без учета возвратного или вытяжного вентилятора) для подачи воздуха в области, расположенные по периметру помещения.
Этап проектирования: Системы управления
Устройства управления в системах UFAD схожи с устройствами управления в потолочных систем VAV за тем исключением, что они рассчитаны на минимальную температуру поступающего воздуха в 15,6°C, а разница статического давления воздуха в канале и зоне обслуживания составляет 0,012 кПа. Некоторые производители, при этом, могут рекомендовать более высокое значение статического давления (до 0,025 кПа). Однако, это может привести к росту потерь поступающего воздуха более чем на 40%. При небольших нагрузках температуру поступающего воздуха рекомендуют увеличить, а статическое давление – снизить для предотвращения переохлаждения и увеличения продолжительности естественного (экономичного) охлаждения помещения. Рекомендуется также сократить время отключения системы на ночь для поддержания необходимой температуры воздуха в здании и предотвращения необходимости использовать систему для прогрева всех этажей здания утром. Устройство управления так-же должно обладать возможностью снижения температуры на основании уровня относительной влажности под полом для уменьшения конденсации и поддержания комфортного уровня влажности в зоне обслуживания.
Компоненты систем UFAD могут использовать устройства управления различного типа. Поэтому, на стадии проектирования следует учесть взаимосвязь между всеми компонентами и узлами, и их правильную последовательность работы для надлежащего управления подачей воздуха в зону обслуживания.
Этап строительства:
На этапе строительства подрядчикам необходимо помнить, что панели пола, потолка, стен и полости колонн служат элементами структуры подающих и рециркуляционных воздуховодов. Поэтому, должны быть проинформированы все заинтересованные стороны о необходимости обеспечения герметичности данных воздуховодов. Для правильной установки и должного функционирования подпольной системы существует стандартная последовательность сооружения интерьера, которая выполняется после окончательного выпуска всех проектных чертежей:
- возведение и обработка огнестойких стен;
- установка потолков и потолочных систем;
- прокладка панелей пола и обеспечение их герметичности в соответствии с правилами и спецификациями проекта с дополнительной проверкой выполнения данных правил и спецификаций;
- разметка опор для съемных панелей пола и обеспечение соответствия линий разметки с конфигурацией основного и дополнительных воздуховодов;
- установка и подготовка к эксплуатации вентиляторов, диффузоров и необходимых воздуховодов (перед установкой съемных панелей пола);
- установка редукционных и противопожарных/дымовых/управляющих заслонок, вентиляционных и вспомогательных воздуховодов и проверка наличия достаточного пространства для установки воздуховодов;
- влажная и вакуумная очистка панелей перед установкой кабелей. Очистка воздуховодов препятствует попаданию пыли в зону обслуживания при запуске системы;
- укладка кабелей на панелях и совмещение их с ранее сделанной разметкой;
- настройка всех узлов и терминалов системы UFAD в съемных панелях пола, подготовка к установке опор, панелей и розеток. Размещение кабелей в соответствии со схемой системы UFAD. (Необходимость в присвоении элементам системы UFAD уникальных номеров зачастую отсутствует, поскольку в них обычно используется небольшое количество диффузоров и терминалов);
- установка опор съемных панелей пола и самих панелей, включая панели с вентиляционными решетками и розетки. Необходимо учесть, что диффузоры и устройства управления не рекомендуется размещать вдоль предполагаемых внутренних стен или под мебелью. При установке диффузоров учитывается их правильная ориентация относительно несъемных и съемных панелей пола для обеспечения необходимой подачи воздуха, согласно проектным чертежам;
- при больших размерах панелей пола, то есть, в случае, когда диффузоры размещаются на расстоянии до 4,6 м от подводящего воздуховода, их нужно размещать так, чтобы входные отверстия были направлены в противоположную сторону от подводящего канала для снижения скорости поступления воздуха из воздуховода. (Некоторые диффузоры имеют входные отверстия с обеих сторон и не позволяют выполнить это);
- размещение и ориентация направляющих решеток для создания желаемого распределения воздуха. По периметру помещения воздушный поток должен быть направлен вдоль и/или от внешних стен, в то время как решетки в центре помещения должны создавать встречный поток воздуха. Такой поток позволяет добиться максимального поступления воздуха и рекомендуется при начальной установке системы даже в случае, если сотрудники офиса изменят распределение воздушных потоков в процессе эксплуатации;
- установка разделительных стен поверх съемных панелей пола, закрывающих пол, любые отверстия и воздухораспределительные терминалы. При этом следует предотвратить попадание строительного мусора в воздушные каналы;
- окончательная обработка стен;
- удаление покрытия со съемных панелей и их очистка;
- настил ковров поверх съемных панелей пола;
- установка мебели;
- проверка надежности подключения кабельных соединений в соответствующие разъемы (данную операцию можно выполнять и раньше, при установке съемных панелей, в зависимости от последовательности проведения работ);
- вакуумная очистка диффузоров от строительного мусора (необходимость в данной операции отсутствует в случае использования защитных экранов);
- сдача в эксплуатацию механических систем.
Этап ввода в эксплуатацию:
По завершении этапа строительства, производится сдача системы UFAD в эксплуатацию, что включает в себя проверку на наличие воздушных потерь и проверку воздушного потока.
Проверку начинают с тестирования каждого из основных подающих вентиляторов для определения минимального потока воздуха с диффузорами, находящимися в полностью закрытом, либо минимально открытом состоянии. При чрезмерной бесконтрольной утечке воздуха (не поступающего через диффузоры и пол) место утечки необходимо выявить и ликвидировать, после чего следует повторить проверку вентилятора. Такую операцию нужно регулярно выполнять каждые несколько лет, либо после внесения изменений в конфигурацию системы UFAD.
Проверка скорости и статического давления воздушного потока позволяет оценить возможность подачи системой необходимых объемов воздуха через все диффузоры. Для этого следует провести проверку одного диффузора для каждой из зон обслуживания и убедиться в том, что все устройства управления функционируют в штатном режиме. Балансирование воздушного потока между диффузорами необходимо только в случае наличия ответвленных диффузоров (они часто устанавливаются по периметру помещений).
Обучение сотрудников офиса управлению системой UFAD:
После сдачи системы UFAD в эксплуатацию, ответственность за ее правильное использование берут на себя собственники и арендаторы здания. Владелец или управляющий офисом должен обеспечить хранение полного набора проектной документации, включая разметку и размещение всех компонентов и устройств управления системы UFAD. Разметку компонентов системы необходимо пересматривать при внесении в нее каких-либо изменений. Собственник здания также обязан обучить сотрудников технической поддержки основам эксплуатации системы UFAD.
Cистема распределения воздуха под полом формирует воздушные потоки в результате действия смесительных диффузоров и всплывающих струй:
Особое внимание рекомендуется уделять воздействию температурной стратификации в помещении на условия работы сотрудников и управление системой, а также функции управления по изменению относительной влажности, температуры поступающего воздуха и статического давления. При необходимости, следует подробно рассказать о таких возможностях управления системой, как использование карманного цифрового устройства для технического обслуживания системы.
Наконец, важно довести до сведения всех сотрудников офиса принципы эксплуатации системы UFAD. Следует подчеркнуть необходимость регулярной вакуумной очистки подпольного воздушного канала и обязательной очистки пола от пролитых жидкостей. Для этого нужно:
- разъяснять сотрудникам какие преимущества предоставляет им система, включая комфортные условия работы, высокое качество воздуха в помещении, гибкость системы и ее возможности по экономии электроэнергии;
- обратить внимание сотрудников на места размещения диффузоров, термостатов, датчиков, а также отдельных диффузоров для специальных целей, описать функции и правила их эксплуатации.
Здания со встроенной системой UFAD требуют от инженеров-разработчиков больше творческой мысли на этапе проектирования, в особенности если они работают с такой системой впервые. Однако, при должной организации строительных работ и тщательной координации действий по установке системы, процесс строительства можно упростить, уменьшив при этом продолжительность этапа строительства, ускорив этап ввода системы в эксплуатацию. При этом, очень важно обеспечить гибкость системы, высокое качество воздуха и экономию электроэнергии – тех характеристик, которые и способствуют быстрому росту популярности систем UFAD в мире.
По теме подробнее: