Вестник УКЦ АПИК: Подбор оборудования для специализированных систем подачи наружного воздуха (DOAS)

Рис. 1. Различные конфигурации
специализированных систем подачи
наружного воздуха
Как правило, при расчете и проектировании климатических систем принимают во внимание так называемые коэффициенты надежности. Однако чрезмерное увлечение их учетом приводит к тому, что системы в итоге получаются чересчур большими и мощными, обладают повышенным энергопотреблением, а их установка требует дополнительных затрат. Это особенно справедливо для случаев, когда коэффициенты надежности учитываются на каждом этапе проектирования.

Необходимость в коэффициентах надежности возникает из-за того, что часто при проектировании климатических систем приходится пользоваться неполной информацией, компенсируя нехватку сведений домыслами. Которые, во первых, могут не соответствовать истине, во вторых, даже если они справедливы на данный момент, все может измениться через год, пять или десять лет после установки системы. Учет коэффициентов надежности — важный инструмент, позволяющий проектировать климатические системы, способные выдержать внезапное повышение нагрузки и удовлетворить возникающие потребности в усилении воздушного потока или осушении воздуха.

В данной статье описывается несколько иной подход, пригодный для использования при проектировании специализированных систем для подачи наружного воздуха (dedicated outdoor air systems, или DOAS). Вместо учета коэффициентов надежности, касающихся воздушного потока и осушающей способности, предлагается подбирать приточное оборудование с запасом по производительности.

Специализированные системы для подачи наружного воздуха

Рис. 2. Примеры устройств, входящих
в DOAS-систему
DOAS-системы представляют собой комбинацию различных устройств для подготовки (очистки, нагрева, охлаждения, увлажнения, осушения) наружного воздуха, используемого для вентиляции здания. Этот воздух может подаваться как непосредственно в обслуживаемые помещения, так и поступать для обработки в локально размещенное климатическое оборудование: фэнкойлы, водяные тепловые насосы, моноблочные кондиционеры, терминалы переменного расхода воздуха, охлаждающие потолочные панели и балки [1, 2].

Использование отдельного оборудования, предназначенного для обработки только наружного воздуха, облегчает контроль за обеспечением требуемой вентиляции каждого помещения и помогает избежать избыточной влажности. Последнее достигается осушением наружного воздуха, которое позволяет снять большую часть скрытой тепловой нагрузки с «местных» климатических устройств, непосредственная задача которых — отвод явного тепла.

На рис. 1 показаны схемы некоторых DOAS-систем. Часть из них доставляют в каждое обслуживаемое помещение уже кондиционированный воздух [3], другие же подводят воздух к «местному» оборудованию, как то: фэнкойлы, водяные тепловые насосы, двухканальные терминалы переменного расхода воздуха, небольшие агрегатированные крышные кондиционеры и другие устройства обработки воздуха, или же к централизованным мультизональным системам.

Кроме того, DOAS-системы могут иметь различную комплектацию (рис. 2). Так, осушение воздуха может производиться устройствами, использующими принцип прямого расширения (DX-осушители), циркуляцию охлажденной воды (CW), а также за счет адсорбции и при помощи сочетания всех перечисленных технологий. Часто DOAS-системы включают в себя устройства утилизации тепла, такие как роторные регенераторы, пластинчатые рекуператоры, рекуператоры с промежуточным теплоносителем и тепловые трубы. Такие устройства, согласно стандарту ASHRAE 90.1, являются обязательными для большинства DOAS-систем [4].

Определение расчетного воздушного потока

В большинстве случаев расчетный воздушный поток определяется отраслевыми или местными стандартами вентиляции [5]. Иногда владелец здания или команда проектировщиков предпочитают усилить поток, чтобы повысить качество воздуха в помещении. Кроме того, повышенный уровень вентиляции является одним из требований при сертификации зданий по LEED (Leadership in Energy and Environment Design — престижная система сертификации строений с точки зрения экологии и энергоэффективности).

Таблица 6–1 стандарта ASHRAE 62.1–2007 [6] предписывает два коэффициента вентиляции для каждой категории использования помещений: один учитывает загрязнения воздуха, источником которых является человек (Rp), второй — загрязнения, источником которых является здание (Ra). Минимальный необходимый приток наружного воздуха в каждую зону вентиляции (Vbz) определяется по формуле 6–1 из стандарта ASHRAE 62.1:

Vbz = Rp • Pz + Ra • Az,        (1)

где:
Vbz — поток наружного воздуха, требуемый для каждой зоны дыхания в обитаемом пространстве здания, куб. фут/мин. (л/c);
Rp — интенсивность воздушного потока на человека, куб. фут/мин.•человек (л/c•человек);
Pz — максимальное количество человек, присутвующих в обитаемом пространстве здания при использовании его в обычном режиме;
Ra — интенсивность воздушного потока на единицу площади, куб. фут/мин•кв. фут (л/c•м2);
Az — площадь помещения (м2).

Рис. 3. Осушение при помощи рефрижераторных
устройств прямого расширения или
использующих водяное охлаждение
Далее, для вычисления эффективности подачи воздуха в помещение (Ez) и определения расчетного потока наружного воздуха в помещение (зону) (Voz) используются формула 6–2 и таблица 6–2 стандарта 62.1.

Формула 6–4 стандарта 62.1 позволяет вычислить общий поток наружного воздуха (Vot), суммируя все зональные воздушные потоки:

Vot= Σall zones Voz.        (2)

Производительность специализированного устройства, подающего наружный воздух не непосредственно в каждое помещение, а на локальное или централизованное климатическое оборудование, определяется суммой воздушных потоков, требуемых для работы этого оборудования.

Подача добавочного воздуха. Иногда в лабораториях, на кухнях ресторанов и кафе и на других подобных объектах возникает необходимость замены наружным воздухом воздуха, вытесняемого из помещения. В этом случае расчетный поток вычисляется как сумма всех вытяжных потоков плюс некоторое количество воздуха, необходимое для поддержания подпора.

Коэффициент надежности при оценке количества людей в помещении

Как правило, впервые коэффициент надежности учитывается при определении значения Pz — предположительного количества людей, которые будут находиться в помещении. Стандарт 62.1 определяет этот параметр как «максимальное количество человек, присутствующих в обитаемом пространстве здания при ис-пользовании его в обычном режиме».

Если реальное значение этого параметра неизвестно и оценить его не представляется возможным, таблица 6–1 стандарта 62.1 содержит стандартные значения «плотности населения».

Переоценка будущей населенности помещения из-за слишком большого коэффициента надежности может привести к избыточной вентиляции и перерасходу энергии. Это также скажется на расчете неявной тепловой нагрузки помещения и требуемой производительности осушителей специализированной системы подачи наружного воздуха.

Автор статьи предлагает игнорировать коэффициент надежности при определении значения Pz, и использовать максимально точное значение этого параметра. При этом DOAS-систему необходимо выбирать с «запасом» производительности по воздуху.

Коэффициент надежности, связанный с перспективой расширения или изменения назначения здания

Еще один случай применения коэффициента надежности при определении расчетного воздушного потока — учет возможного расширения объекта, или изменения режима его эксплуатации, например переделки офисов в торговые залы, в результате чего возрастет потребность в вентиляции.

Здесь рекомендуется максимально точно определять расчетный воздушный поток без учета коэффициентов надежности. После чего выбрать устройство, для которого такой поток не будет пределом возможности, а имеющее некоторый запас производительности по воздуху.

Определение расчетной осушающей способности

Требуемая осушающая способность DOAS-системы определяется расчетным воздушным потоком (Vot), удельной влажностью наружного воздуха (Woa) и воздуха, выходящего из системы (Wca):

QL = 4,5•Vot•(Woa–Wca)/7000, гран/фунт,       (3)

где:
qL — требуемая осушающая способность (производительность осушения), фунт/ч;
Vot — расчетный воздушный поток, куб. фут/мин;
Woa — удельная влажность наружного воздуха, гран/фунт;
Wca — удельная влажность кондиционированного воздуха, гран/фунт.

Ранее мы уже обсудили влияние коэффициента надежности на определение расчетного воздушного потока (Vot), поэтому теперь остановимся на других параметрах уравнения 3.

Коэффициенты надежности для Woa

Традиционно холодопроизводительность проектируемых климатических систем определяют, опираясь на данные о расчетной (максимально возможной) температуре по сухому термометру и соответствующей ей температуре по влажному термометру. Однако рассчитывать осушающую способность таким образом нельзя, так как наивысшая удельная влажность наружного воздуха не соответствует максимуму его температуры.

С 1997 года для вычисления осушающей способности климатических систем в справочнике ASHRAE [7] указывается расчетная точка росы, которой соответствует определенная температура воздуха по сухому термометру. Справочник содержит три набора параметров окружающей среды: «0,4%», «1%» и «2%». Эти цифры означают, какую часть года параметры климата превышают данные соответствующего набора. Таблица 2 содержит данные о точке росы в Джэксонвилле, штат Флорида (США), для каждого из этих наборов данных [7]. Таблица 1 представляет собой набор данных «0,4%» для Джэксонвилля [7]. Обратите внимание, что удельная влажность наружного воздуха в расчетной точке росы на 32% выше, чем при расчетной температуре по сухому термометру из того же набора. По этой причине осушающую способность следует определять для точки росы.

Таблица 1. Климатические условия для города Джэксонвилл, Флорида. Набор „0,4%“
Расчетная температура по сухому термометру, соответствующая температура по влажному термометруРасчетная точка росы, соответствующая температура по сухому термометруРасчетная температура по влажному термометру, соответствующая температура по сухому термометру
Значение из набора климатических условий „0,4%“95°F, 78°F78°F, 85°F80°F, 90°F
Удельная влажность116 гран/фунт144 гран/фунт141 гран/фунт
Энтальпия41 Btu/фунт42,9 Btu/фунт43,8 Btu/фунт

Таблица 2. Расчетные точки для города Джэксонвилл, Флорида, и соответствующие им значения других величин
0,4%1%2%
Климатические условия78°F по сухому термометру, 85°F по влажному термометру77°F по сухому термометру, 84 °F по влажному термометру76°F по сухому термометру, 83°F по влажному термометру
Удельная влажность144 гран/фунт140 гран/фунт137 гран/фунт

Учет коэффициента надежности при расчете удельной влажности наружного воздуха (Woa) заключается в использовании наиболее консервативного набора данных — «0,4%». О том, к чему это может привести, мы расскажем ниже.

Расчет удельной влажности кондиционированного воздуха на выходе из системы (Wca)

Рис. 4. Влияние Woa и Wsp на требуемую осушающую
способность (qL) без рекуперации
Определение того, какой должна быть удельная влажность воздуха, подводимого специализированным устройством, проходит в несколько этапов.

Первый этап — определение конечного уровня влажности для обитаемых помещений (Wsp). Это максимально допустимая влажность воздуха в помещении. Часть инженеров считает верхней границей относительную влажность 60%, тогда как другие принимают ее равной 50%, 55%, 65% и так далее.

Второй этап — определение скрытой тепловой нагрузки для каждого помещения (qLspace). Она обычно создается влаговыделением с тел присутствующих в помещении людей, а также проникновением влажного воздуха снаружи или из соседних помещений [9]. Обычно скрытая нагрузка вычисляется при помощи специального программного обеспечения.

И наконец, третий этап — собственно вычисление требуемой удельной влажности подводимого воздуха. Если DOAS-система рассчитана не только на скрытую вентиляционную тепловую нагрузку, а спроектирована для отвода всего скрытого тепла из помещений, то кондиционированный воздух должен быть пересушен так, чтобы удельная влажность в каждой обслуживаемой зоне поддерживалась на уровне верхней допустимой границы (или ниже). Следовательно, удельная влажность кондиционированного воздуха, подаваемого в помещение, должна быть ниже, чем в любой из зон, в которые он подается.

Wca = Wsp — [qLspace/(0,69•Voz)],     (4)

где:
Wca — требуемая удельная влажность кондиционированного воздуха, гран/фунт;
Wsp — верхняя граница приемлемой удельной влажности воздуха в помещении, гран/фунт;
QLspace — расчетная скрытая тепловая нагрузка, Btu/час;
Voz — расчетный поток наружного воздуха в обслуживаемую зону, куб. фут/мин.

Рассмотрим применение описанного алгоритма расчета на примере здания начальной школы в Джэксонвилле, штат Флорида (США). DOAS-система для этого объекта должна подавать воздух непосредственно в классные комнаты, не только снимая скрытую вентиляционную нагрузку, но и отводя все скрытое тепло из помещений.

В этом примере система охлаждения должна поддерживать в помещениях температуру 74 °F (23 °С) (по сухому термометру). Предельное значение относительной влажности в классах — 60%. Это соответствует удельной влажности (Wsp) 75,2 гран/фунт (10,8 г/кг).

Расчетная скрытая тепловая нагрузка (qLspace) и требуемый поток наружного воздуха для каждой обслуживаемой зоны содержатся в таблице 3.

Подставляя значения параметров в формулу 4, определяем требуемую удельную влажность кондиционированного воздуха (Wca) для каждого помещения. К примеру, для классной комнаты № 102 она равна 57,6 гран/фунт (8,24 г/кг).

Как видно из таблицы 3, для классной комнаты № 102 требуется самый сухой воздух. Следовательно, для отвода всего скрытого тепла специализированное устройство должно осушать наружный воздух до удельной влажности 57,6 гран/фунт (8,24 г/кг), что соответствует точке росы 52 °F (11 °С) (рис. 3).

Таблица 3. Пример DOAS — системы для четырех классных комнат
Класс 101Класс 102Класс 103Класс 104
Wsp75,2 гран/фунт75,2 гран/фунт75,2 гран/фунт75,2 гран/фунт
qLspace5250 Btu/ч5465 Btu/ч5697 Btu/ч5250 Btu/ч
Voz450 куб. фут/мин.450 куб. фут/мин.480 куб. фут/мин.425 куб. фут/мин.
Wca58,3 гран/фунт57,6 гран/фунт58 гран/фунт57,7 гран/фунт

Коэффициент надежности при определении Wca

Рис. 5. Влияние Woa и Wsp на требуемую
осушающую способность (qL) с рекуперацией
Максимальный допустимый уровень влажности в помещении (Wsp). Влияние коэффициентов надежности на определение необходимой удельной влажности кондиционированного воздуха на выходе из системы (Wca) начинает сказываться при выборе требуемого уровня влажности в помещении (Wsp). Обычно системы кондиционирования и вентиляции проектируются с расчетом на поддержание в помещении относительной влажности, равной 50%. Но ее предельное допустимое значение может быть и выше, например, 60%, 55% или 65%. Новое правило ASHRAE по строительству в жарком и влажном климате [10] рекомендует ограничить влажность воздуха в помещении так, чтобы точка росы была не выше 55 °F (13 °С). Это соответствует относительной влажности 51 % при 74 °F (23 °С) по сухому термометру.

Как показывают данные, приведенные в таблице 4, чем ниже требуемая относительная влажность в помещении, тем меньше должна быть удельная влажность Wca и, соответственно, тем большую осушающую способность должна иметь DOAS-система.

В нашем примере осушающая способность системы для поддержания относительной влажности 50% будет на 15% выше, чем у системы, рассчитанной на поддержание относительной влажности на уровне 60%.

Однако следует рассмотреть влияние выбора величины требуемой относительной влажности на все параметры системы, а не только на ее осушающую способность. Если DOAS-система подает воздух с более низкой Wca, то и его температура по сухому термометру будет ниже. Такой воздух позволяет отвести больше тепла, а значит, в помещениях можно использовать «местные» устройства обработки воздуха, например кондиционеры меньшей мощности [11].

Расчетная скрытая тепловая нагрузка помещения (qLspace). Также коэффициенты надежности обычно берут в расчет при определении скрытой тепловой нагрузки помещения. Как уже было сказано ранее, расчетное количество людей в помещении влияет не только на параметры воздухообмена, но и на скрытую тепловую нагрузку.

Другой источник скрытого тепла — проникающий в помещение влажный воздух. Учет его влияния — часто больше искусство, чем наука, поскольку оно в большей степени зависит от конкретных условий [9]. Так как точные вычисления часто невозможны, вместо того чтобы рассчитывать скрытую тепловую нагрузку с учетом коэффициентов надежности, обычно просто берется DOAS-система с запасом по осушающей способности.

Обсуждение и выводы

Чрезмерное применение коэффициентов надежности при проектировании специализированных систем подачи наружного воздуха (DOAS) приводит к использованию оборудования больших, чем необходимо, размеров и мощности. Это, в свою очередь, означает увеличение капитальных затрат и повышенный расход энергии.

Чтобы избежать негативного влияния коэффициентов надежности, автор рекомендует следующее:

1. Не учитывать коэффициенты надежности, определяя скрытую тепловую нагрузку (qLspace) и количество людей в помещении (Pz) при расчете требуемого потока наружного воздуха (Voz). Оценить нагрузку и число людей с максимально возможной точностью и затем выбрать DOAS-систему с запасом по воздушному потоку и осушающей способности. Запас означает увеличение габаритов оборудования, а следовательно, и стоимости монтажа. Что, однако, может быть компенсировано за счет более высокой энергоэффективности оборудования больших размеров. В таблице 5 приведены данные сравнения двух DOAS-систем, предназначенных для создания одинаковых воздушных потоков и рассчитанных на равную нагрузку по осушению. Система с более крупными габаритами имеет резерв производительности, что позволяет ей справляться с неожиданным ростом нагрузки. Перепад давления на теплообменнике в оборудовании, имеющем большие размеры, меньше, а значит, можно использовать вентилятор меньшей мощности. Кроме того, меньшая скорость набегающего потока через теплообменник увеличивает энергоэффективность и создает благоприятные условия для утилизации тепла.

Таблица 4. Воздействие коэффициентов надежности на Wca и qL
Относительная влажность 60%Относительная влажность 55%Относительная влажность 50%
Wsp175,2 гран/фунт68,8 гран/фунт62,5 гран/фунт
Wca57,6 гран/фунт51,2 гран/фунт44,9 гран/фунт
Точка росы обработанного воздуха52°F48,9°F45,4°F
Осушающая способность устройства (qL)2100,8 фунт/ч108,2 фунт/ч115,6 фунт/ч
1При температуре по сухому термометру, равной 74°F (23 °С)
2Рассчитана при помощи формулы (3) для точки росы, соответствующей климатическим данным для Джэксонвилля из набора „0,4%“ (табл.3) и Votall zones=1815 куб. фунт/мин.

Таблица 5. Связь габаритов устройства с энергетическими характеристиками
Небольшое устройствоБольшое устройство
Скорость потока, набегающего на теплообменник508 фунт/мин.401 фунт/мин.
Падение давления на спиральном теплообменнике0,96 дюймов водяного столба0,6 дюймов водяного столба
Падение давления на ротационном теплообменнике1,1 дюймов водяного столба0,79 дюймов водяного столба
Эффективность ротационного теплообменника (охлаждение)71%76%
Охлаждающая мощность ротационного теплообменника180000 Btu/ч190000 Btu/ч
Эффективная мощность приточного вентилятора4,8 л.с.3,3 л.с.
Эффективная мощность вытяжного вентилятора3,8 л.с.2,5 л.с.

Важный момент: выбирая специализированную систему подачи наружного воздуха, необходимо брать в расчет не только ее производительность и габариты, но и типы входящих в нее устройств. Так, при использовании рефрижераторных осушителей прямого расширения воздушный поток должен четко соответствовать рабочему диапазону холодильной установки, поэтому их нецелесообразно использовать в системах с запасом по производительности.

2. Определяя расчетные условия внешней среды (Woa) и требуемый уровень влажности в помещении (Wsp), следует проанализировать влияние этих величин на параметры системы. О результатах анализа следует известить заказчика или владельца здания и совместно с ним принять окончательное решение.

Вернемся к нашему примеру со школой в Джэксонвилле. Таблица 3, рис. 4 и 5 показывают влияние выбора расчетной точки росы (из набора данных «0,4%», «1%» или «2%» соответственно) и предпочтительного максимума удельной влажности в помещении (Wsp) на требуемую осушающую способность специализированного устройства для подачи наружного воздуха (qL). Это мощность, необходимая для отвода всей скрытой вентиляционной тепловой нагрузки плюс скрытого тепла из помещения. Рис. 4 показывает требуемую мощность для системы без утилизации дарового тепла, а рис. 5 — для системы, оснащенной устройством рекуперации с 70%-й скрытой эффективностью. Эти рисунки показывают, что расчет на наиболее суровые условия эксплуатации (соответствующие набору климатических данных «0,4%») и поддержание более низкого уровня влажности в помещении приводят к росту требуемой производительности DOAS-системы. В случае с системой для школы в Джэксонвилле, подобные решения приведут к увеличению требуемой производительности на 45%. Использование рекуператора уменьшает эту разницу, а кроме того, позволяет применять рефрижераторные (в том числе прямого расширения) и адсорбционные осушители значительно меньшей производительности.

Так, требуемая осушающая способность DOAS-системы без рекуператора, спроектированной для климатических условий из набора данных «0,4%» и поддержания относительной влажности 45%, на 38 фунтов в час (17,4 кг/ч) выше, чем у рассчитанной на условия и набора «2%» и относительную влажность 65% (рис. 4). При использовании рекуператора разница составит лишь 11,5 фунта в час (5,2 кг/ч) (рис. 5).

Литература:

  1. Coad, W. 1999. «Conditioning ventilation air for improved performance and air quality». HPAC Engineering (9): 49–56.
  2. Shank, K., S. Mumma. 2001. «Selecting the supply air conditions for a dedicated outdoor air system working in parallel with distributed sensible cooling terminal equipment». ASHRAE Transactions 107 (1):562–571.
  3. Mumma, S. 2008. «Terminal equipment with DOAS: series vs. parallel». Engineered Systems 45 (5): 86–89.
  4. ANSI/ASHRAE/IESNA Standard 90.1–2007, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings.
  5. Stanke, D. 2004. «Standard 62.1: Single-zone and dedicated OA systems». ASHRAE Journal 46 (10): 12–20.
  6. ANSI/ASHRAE Standard 62.1–2007, Ventilation for Ac­ceptable Indoor Air Quality.
  7. 2009 ASHRAE Handbook — Fundamentals.
  8. Morris, W 2003. «The ABCs of DOAS: Dedicated outdoor air systems». ASHRAE Journal 45 (5): 24–29.
  9. Harriman, L., G. Brundrett, and R. Kittler. 2001. Humidity Control Design Guide for Commercial and Institutional Build­ings. Atlanta: ASHRAE.
  10. Harriman, L. 2008. The ASHRAE Guide for Buildings in Hot and Humid Climates. Atlanta: ASHRAE.
  11. Murphy, J. 2006. «Smart dedicated outdoor air systems». ASHRAE Journal 44 (3): 23–31. в Ла-Кросс, штат Висконсин (США).

Джон Мерфи, член ASHRAE, главный технический специалист Trane Commercial Business, Ingersoll Rand



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест