Принципы проектирования вентиляции для улучшения качества воздушной среды в помещениях

Выбор параметров воздушной среды
Хорошо известно влияние температуры воздуха на тепловой комфорт, но влияние этого фактора на ощущаемое качество воздуха менее изучено. Исследования показывают, что в теплом и влажном воздухе ощущается духота (Berg-Munch, 1980), при теплом воздухе в помещении в зимнее время чаще возникает "синдром дискомфортного здания", чем при прохладном (Seppanen, Jakkola, 1989). Зависимость между количеством случаев ощущения дискомфорта и температурой помещения близка к линейной в диапазоне изменения температуры воздуха 20-26°С. Последние лабораторные исследования (Fang и др., 1998) показали, что воспринимаемое качество воздуха при наличии загрязнений зависит от энтальпии. В лабораторных исследованиях воздух загрязнялся веществами, которые выделяют обычные строительные материалы. Натурные исследования не показали столь явно выраженной зависимости между этими показателями (Fang и др., 1997). Тем не менее, влияние энтальпии весьма существенно. Это позволяет предположить, что в холодный период года целесообразно задавать более низкую температуру и относительную влажность в помещении, что позволит обеспечить как улучшение воспринимаемого качества воздуха, так и экономию энергии в системах вентиляции. Расчетное значение подвижности воздуха в помещении также связано с расходом энергии в системах вентиляции. Высокая подвижность воздуха приводит к интенсификации конвективного теплообмена, поэтому максимально допустимое по комфортным условиям значение подвижности следует принимать в период охлаждения, минимально допустимое - в период обогрева. Обычно среднее значение подвижности воздуха возрастает при возрастании потребности охлаждения помещения вместе с объемом подаваемого воздуха (Fitzner, 1996). Таким образом, расход приточного воздуха при охлаждении помещения целесообразно принимать более высоким, чем при обогреве. Регулировать подвижность воздуха можно также с помощью системы воздухораспределения и путем использования комнатных перемешивающих вентиляторов (типа тропических потолочных вентиляторов). Система вентиляции по принципу замещения (вытеснения) обычно создает более низкую подвижность воздуха в помещении, чем система перемешивающей вентиляции (Fitzner, 1996). Расчетное значение относительной влажности оказывает большое влияние на энергопотребление в теплом и влажном климате. Увеличение расчетного значения относительной влажности, например, с 40 до 60%, приводит к существенному снижению холодильной нагрузки. Так, для условий Майами энергозатраты в СКВ при относительной влажности в помещении 60% составляют только 56% от энергозатрат при заданной относительной влажности 40% (IEA/AIVC 47 1995).

• Share

Приточные установки, не загрязняющие воздух
Основная задача систем вентиляции - подача в помещение чистого воздуха для разбавления и замещения загрязненного. Для выполнения этой задачи приточный воздух должен быть как можно более чистым. От степени чистоты подаваемого воздуха зависит эффективность вентиляции с точки зрения ассимиляции загрязнений. Таким образом, приточный воздух должен содержать минимальное количество взвешенных пылевых частиц и химических примесей, а также не обладать неприятным запахом. Однако обследования, проводимые в рамках проекта "Европейский аудит", показали, что воспринимаемое качество приточного воздуха во многих случаях гораздо ниже, чем аналогичный показатель для наружного воздуха. Практически в большинстве случаев воздух в приточной установке загрязняется гораздо сильнее, чем в обслуживаемом помещении. Отсюда вытекает следующий вопрос: что является источником загрязнения в оборудовании приточной камеры? Для того чтобы это выяснить, были произведены измерения качества воздуха на всех этапах обработки (Bluyssen, 1990; Hujanen и др., 1991; Pjetersen, 1994; Европейская база данных, 1997). Измерения показали ухудшение качества воздуха на каждом этапе. Результаты экспериментов, проведенных в Финляндии (Bjorkroth, 1998), свидетельствуют о том, что основным источником загрязнения является фильтр, улавливающий взвешенные частицы. Однако, ощущаемое качество воздуха, поступающего в помещение, все же лучше, чем непосредственно за фильтром. Причиной этого может быть рассеяние запахов при перемещении воздуха или химические реакции. Однако фильтр - не единственный источник загрязнения в приточной системе. Широко распространенным компонентом вентсистем являются металлические воздуховоды. Как правило, площадь поверхности воздуховодов составляет около 10% площади здания. Воздуховоды также могут быть источником неприятного запаха. В лабораторных экспериментах исследовались старый и новый воздуховод длиной 20 м и площадью внутренней поверхности 5 м²; ухудшение качества воздуха при прохождении такого участка воздуховода было эквивалентно загрязнению от пребывания в помещении одного "стандартного" человека (Torkki, Seppanen, 1996). Причиной загрязнения воздуха при прохождении участка нового воздуховода было смазочное масло, оставшееся на внутренней поверхности. Этот источник загрязнения может быть устранен путем промывки воздуховодов после изготовления, а при прохождении чистого воздуховода качество воздуха даже улучшается (Torkki, Seppanen, 1996; Европейская база данных, 1997). Измерения, выполненные в проекте "Создание Европейской базы данных по источникам загрязнения воздуха в зданиях", показали, что все недостаточно чистые компоненты приточной установки могут стать источником неприятного запаха. Эти измерения проводились для сухого, незагрязненного оборудования, установленного прямо со склада завода-изготовителя или поставщика. Значительно более серьезные проблемы возникают при конденсации влаги, если элементы приточной установки не имеют дренажа, неправильно смонтированы или плохо обслуживаются. Неправильно обслуживаемые охладители воздуха с выпадением конденсата на поверхности могут стать источником бактериального загрязнения воздуха в зданиях. Ряд исследований (Flannigan, Morey, 1996) выявил важность очистки поверхности воздухоохладителей. Например, исследования, проведенные в Южной Калифорнии, обнаружили, что одна треть теплообменников в крупных приточных системах и две трети в небольших системах не очищаются (Byrd, 1996). Важность чистоты оборудования для обработки воздуха зафиксирована в государственных стандартах и нормативных документах многих стран (финский Классификатор 1995, ASHRAE 62R 1996, VDI 6022 1997). Поскольку чистота оборудования имеет столь существенное значение для качества приточного воздуха, в Финляндии было проведено тестирование приточной установки, находящейся в эксплуатации длительное время (примерно 10 лет). Было проведено измерение ощущаемого качества воздуха до и после очистки (Bjorkroth и др., 1998). Результаты тестирования показали значительное улучшение качества воздуха после очистки оборудования. Несмотря на то, что фильтр по-прежнему являлся источником загрязнения, после прохождения всей установки качество воздуха до некоторой степени улучшалось. Влияние чистоты поверхности сети воздуховодов на качество воздуха также немаловажно. В процессе тестирования приточный воздух после обработки пропускался по старому воздуховоду длиной 30 м и, для сравнения, по новому чистому длиной 10 м. Качество воздуха в последнем случае улучшалось, а после прохождения участка старого воздуховода отмечалось значительное ухудшение.

Очистка наружного воздуха
Для того чтобы обеспечить наибольшую эффективность ассимиляции загрязнений в помещении, приточный воздух должен быть возможно более чистым. Очистка наружного воздуха имеет наибольшую значимость в зонах с загрязненной атмосферой. Как видно из уравнений (1) и (2), объем притока прямо пропорционален степени очистки наружного воздуха. Фильтры для удаления механических загрязнений широко используются в СКВ. Они предназначены как для предохранения оборудования СКВ от загрязнения, так и для очистки приточного воздуха. Характеристики этих фильтров весьма различны. Фильтры, отнесенные к одному и тому же классу, могут иметь различную эффективность пылеулавливания по фракциям и различные эксплуатационные характеристики. Эту проблему предполагается устранить после ввода в действие нового стандарта (ASHRAE 52.2) по сертификации воздушных фильтров. Фильтры, отнесенные к классу EU5 (эффективность пылеулавливания 60%), снижают общее содержание пылевых частиц наполовину, а фильтры класса EU7 (эффективность пылеулавливания 90%) - до 30% от первоначальной концентрации. Воздуховоды и теплообменные поверхности загрязняются в основном крупными частицами, которые в первую очередь оседают на поверхностях. Фильтры класса EU7 обеспечивают как защиту оборудования, так и очистку приточного воздуха (Fransson, 1996). Для обеспечения более высокого качества воздуха рекомендуется двухступенчатая фильтрация. Фильтры грубой очистки (1 ступень) улавливают основную массу пылевых частиц и в связи с этим их необходимо заменять чаще, чем фильтры тонкой очистки (2 ступень); такой порядок эксплуатации обеспечивает более высокое качество приточного воздуха (Hujanen и др., 1991). На практике часть воздуха может проходить мимо фильтров через неплотности в конструкции приточной камеры. Таких ситуаций, создающих поток неочищенного воздуха, следует избегать - необходимо уплотнять конструкцию воздухозабора. По аналогичной причине требуется уплотнение элементов приточной установки между фильтром и вентилятором, находящихся под разрежением. Новые технологии очистки воздуха предоставляют совершенно новые возможности. Совмещая электрические способы очистки и волокнистые фильтры, можно добиться высокой эффективности без значительного увеличения расхода энергии в системе. Электрофильтры не создают такого аэродинамического сопротивления, как волокнистые фильтры, расход энергии на перемещение воздуха составляет 1-2 Вт на 50-100 л/с. Использование электрофильтров совместно с волокнистыми существенно повышает эффективность очистки от мелкодисперсных фракций (Hotokainen, 1994).

Химические очистители воздуха могут быть использованы для удаления загрязняющих воздух химических веществ. Такие очистители до сих пор не нашли широкого применения в практике из-за высокой стоимости и малой производительности. Эффективность химических фильтров может резко снизиться, когда состояние реагента-поглотителя близко к насыщению. Время эффективной работы поглотителей сравнительно невелико и в значительной мере определяется начальной концентрацией загрязнений в приточном воздухе (Strindehag, 1996). Затраты на химическую очистку воздуха можно сопоставить с затратами на вентиляцию. Очистка воздуха становится предпочтительным вариантом при больших удельных энергозатратах в системе вентиляции. В материалах EPA (1998) приводится оценка стоимости годовой эксплуатации угольного фильтра - 1,72$ на расход воздуха 1 м3/с. Эти затраты того же порядка, что годовая стоимость энергии на нагрев такого же количества вентиляционного воздуха в холодном климате (отопительный период - 5 000 градусо-дней) при продолжительности работы системы 50% года, стоимость тепловой энергии - 8$/ГДж.

Share

Сбалансированный воздухообмен
Вентиляционный воздухообмен, определенный в расчете на 1 человека или на единицу площади, может оказаться существенно различным. Во время выполнения проекта "Европейский аудит" было установлено, что расход наружного воздуха в расчете на единицу площади помещения изменялся от величины, близкой к нулю, до 5 л/с_м2 и более. В зданиях с естественной вентиляцией расход наружного воздуха в 80% случаев составлял менее 1 л/с_м2. В помещениях с механической вентиляцией в 80% случаев расход наружного воздуха превышал 1 л/с_м2. Средняя норма подачи наружного воздуха составляла 25 л/с_чел (Roulet и др., 1995). Однако даже если расход наружного воздуха для здания в целом определен корректно, распределение воздуха по помещениям может оказаться неравномерным из-за несбалансированности воздушных потоков, в т. ч. рециркуляции. Инспекция по надзору за состоянием окружающей среды и здоровьем людей г. Хельсинки провела обследование офисных помещений с общим числом сотрудников 1 782 чел. в 33 случайно выбранных зданиях. Средний расход приточного воздуха составил 17,2 л/с_чел, что явно превышает нормативную величину для Финляндии (10 л/с_чел). При этом было обнаружено большое различие конкретных значений расхода приточного воздуха для разных зданий и по помещениям в пределах здания. Типичный разброс величины расхода воздуха составил 11,6 л/с_чел (Teijonsalo и др., 1996). В 10 зданиях разброс величины воздухообмена по помещениям превысил половину среднего значения этого показателя. В этих случаях баланс воздухообмена был признан неудовлетворительным. Несбалансированность воздухораспределения по помещениям здания означает, что в одних помещениях будет иметь место избыточная вентиляция и, следовательно, перерасход энергии, а в других - плохое качество воздуха. Такая ситуация обычно возникает в тех случаях, когда используются системы вентиляции без рециркуляции. Равномерное распределение подачи наружного воздуха позволит улучшить качество воздуха в целом по зданию и сократить общее потребление энергии. Слишком низкий удельный расход наружного воздуха может иметь место в системах вентиляции с переменным расходом при отсутствии ограничения минимального расхода наружного воздуха.

Olli Seppanen, профессор,
президент Финской Ассоциации по отоплению,
вентиляции, кондиционированию воздуха,
Финляндия