Системы вентиляции с воздухораспределителями в полу. Опыт применения

Системы вентиляции с воздухораспределителями в полу. Опыт применения

A. Daly, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), руководитель компании «Taylor Engineering», США

Системы вентиляции с воздухораспределителями в полу и размещением приточных воздуховодов в подпольных каналах (UFAD-система) сулят множество преимуществ. К их числу относятся [1]: улучшение вентиляции помещений за счет подачи свежего воздуха ближе к зоне дыхания людей; повышение комфортности благодаря возможности индивидуальной регулировки воздухораспределителей; расширение возможности гибкой перепланировки помещения с перестановкой оборудования, наконец, снижение энергопотребления зданием за счет сокращения расхода энергии вентиляторами и за счет расширения возможности утилизации холода и повышения эффективности холодильных циклов.

Эти преимущества, однако, не даются даром. Капитальные затраты на строительство систем с размещением воздуховодов в полу обычно выше, чем в системах с разводкой в верхней зоне помещения. В недавно выполненных проектах это превышение составляло от $33 до $55 на м ², в зависимости от особенностей здания, включая стоимость фальшпола. Задача проектировщиков здания с UFAD-системами состоит в том, чтобы сохранить как можно больше преимуществ при минимальном повышении стоимости строительства.

В статье рассматриваются три проблемы, связанные с расчетом и конструированием UFAD-систем. Эти проблемы выявлены при выполнении семи проектов и отражают опыт заказчиков, проектировщиков, монтажников, пользователей и эксплуатационного персонала зданий.

Минимум подпольных каналов

Основное преимущество UFAD-систем – это их гибкость. Размещение каналов в пространстве фальшпола представляет собой удобный и доступный для обслуживания способ подводки всех инженерных сетей здания от центра к месту использования. Под сетями подразумеваются воздуховоды, а также трубопроводы отопления и горячего водоснабжения для периметральной зоны помещения, кабели электроснабжения, телефонные и компьютерные кабели (размещаемые обычно в кабельных каналах), водопровод и система пожаротушения, водостоки.

В лучшем случае в подпольном канале размещаются все эти коммуникации и остается свободное пространство для модификации каждой из них. В худшем варианте размещение этих сетей представляет собой трудную задачу. Когда возникают подобные затруднения, они прежде всего касаются воздушного тракта, так как он занимает больше места, чем остальные коммуникации. Пересечение воздушных трактов обычно связано с необходимостью их прорези или перфорации; монтаж при этом выполнять достаточно сложно. Более того, кабели обычно легко протягиваются через подпольное пространство, прокладка труб также не представляет особых затруднений, а вот монтировать воздуховоды или перегородки гораздо сложнее, для их перекладки требуется доступ на большом пространстве пола.

Вывод: избегайте, по возможности, воздуховодов и перегородок в подпольном пространстве.

Более предпочтительным приемом при проектировании является использование нескольких вертикальных шахт, обслуживающих единое подпольное пространство. Это позволяет выиграть в гибкости и снизить капитальные затраты по проекту в целом. Рассмотрим следующий пример.

Дополнительные вертикальные шахты в офисном здании

Проект разработан для офисного здания площадью 9 290 м ², расположенного в северной Калифорнии. Это трехэтажное здание, площадь этажа составляет примерно 3 252 м ². Здание в плане имеет V-образную форму, удлиняющую периметр, максимальная ширина здания не превышает 27 м. Такая геометрия позволяет использовать естественное освещение во всем объеме здания, а также допускает сквозное проветривание с помощью регулируемых окон. Здание спланировано и меблировано по типу «открытый офис» с отдельными выгороженными кабинетами.

Исходя из симметричной V-образной формы первоначальная стратегия проектирования систем ОВК предусматривала использование единой центральной шахты со встроенной в нее венткамерой на кровле. Этот известный принцип, эффективный для обычных систем, казался приемлемым и в данном случае. Разводка воздуха под полом осуществляется по воздуховодам, длина которых определяется таким образом, чтобы расстояние от места подвода воздуха до выхода в помещение не превышала 15 м.

Схема А на рис. 1 иллюстрирует типовой план этажа с изображением шахты и горизонтальных воздуховодов. Группа воздуховодов сечением 22х14 проложена между опорами фальшпола.

Поскольку другие коммуникации проходят вокруг и поперек воздуховодов, согласование их размещения вызывает затруднения. Например, компьютерная сеть пересекает воздушный тракт во многих местах, что заставляет делать прорези в воздуховодах. Электрические розетки и воздуховыпускные устройства должны находиться в стороне от воздуховодов, что ограничивает возможности планировки кабинетов.

Для решения проблем размещения всех коммуникаций было разработано альтернативное проектное решение (схема В на рис. 1). Согласно этой схеме предусмотрены дополнительные вертикальные шахты приточной вентиляции, расположенные в конце каждого крыла здания. Для подачи воздуха к этим шахтам проложены короба по крыше.

Как видно по схеме, размещение коммуникаций значительно упрощается. Экономия от сокращения количества горизонтальных воздуховодов частично теряется за счет стоимости добавочных шахт и дополнительных дымо- и огнезадерживающих клапанов, однако итоговое сокращение сметы по проекту составляет $250 000.

Одним из недостатков предлагаемого подхода является уменьшение архитектурно-планировочной гибкости, так как шахты должны оставаться на месте при любой реконструкции. В данном случае этот недостаток был смягчен тем, что шахты проходили по лестничным клеткам, размещение которых также остается всегда неизменным.

Предотвращение утечек воздуха из подпольного пространства

Основная особенность хорошего проекта – интеграция систем, когда один и тот же элемент здания выполняет различные функции, что всегда снижает стоимость и материалоемкость строительства. Что касается UFAD-систем, то фальшпол обеспечивает разводку воздуха, скрывает и защищает кабели и другие коммуникации и формирует устойчивую и ровную рабочую поверхность. Однако интеграция функций влечет за собой множество дополнительных технических требований к этому элементу здания, а также заставляет перераспределять обязанности и ответственность между проектировщиками и строителями.

В рассматриваемом случае одним из недостатков интеграции являются утечки воздуха. В UFAD-системах значительная часть воздухоразводящей системы находится вне сферы специалистов ОВК, что уменьшает возможность инженера контролировать качество воздушной сети.

Для металлических воздуховодов имеется множество стандартов, нормативов и методов их производства и монтажа, которые устраняют или ограничивают в жестких пределах утечку воздуха. Аналогичные стандарты и методы для уплотнения фальшпола, который служит приточным каналом, еще только предстоит разработать. Поскольку для многих подрядчиков UFAD-системы пока в новинку, в этом вопросе допускается множество ошибок. Необходимо указать средство, обеспечивающее транспортировку воздуха к месту использования без потерь.

Рассмотрим следующий пример: реконструкция здания склада с установкой сейсмически устойчивых креплений, поддерживающих наклонившееся здание. Крепления примыкали к панели пола, принимая усилие на сдвиг. В связи с этим понадобилось сделать фальшпол. Строители аккуратно уложили и подогнали плиты фальшпола, но главный подрядчик, не оценив важность проблемы утечки воздуха, не заделал зазор в области примыкания пола к стене, который образовался из-за установки креплений. После установки внутренней облицовки стен образовалась щель, через которую приточный воздух по кратчайшему пути уходил к подшивному потолку, где была вытяжка. На рис. 2 показан типичный вид зазора у примыкания пола к стене, до того как он был заделан подрядчиком.

Инженеры в области ОВК должны работать в тесном контакте с конструкторами и строителями, чтобы обеспечить заделку зазоров вокруг фальшпола. В уплотнении нуждаются элементы примыкания наружных стен к панели пола, лестничные клетки и вертикальные шахты. Способ уплотнения при этом аналогичен тем, которые применяются в высотных зданиях для изоляции лестничных клеток и противопожарных перегородок.

Однако проработать соответствующие детали на чертежах – это еще не все. В одном из недавних проектов на чертеже было указано законопатить щели вокруг фальшпола. При осмотре на месте инженер заметил, что это не сделано. Подрядчики не всегда уделяют этому внимание, поэтому проектировщики должны информировать их о требованиях к уплотнению и работать вместе со строителями, чтобы обеспечить выполнение необходимых требований по уплотнению.

В проектах, где используется воздушный тракт с перегородками для горизонтальной разводки, утечки через них могут быть значительными из-за повышенного давления воздуха. В одном здании с воздушным трактом крышки люков в фальшполу пришлось законопатить, а ковровое покрытие пола приклеить, чтобы оно не «всплывало» из-за утечек воздуха. Более того, воздушные тракты часто пересекаются другими коммуникациями. Такого рода реконструкции обычно выполняются на месте, при этом рассечения перегородок воздушных трактов не уплотняются.

Распределение приточного воздуха

Одна из характерных особенностей действующих UFAD-систем – фактическое снижение температуры удаляемого воздуха по сравнению с рекомендуемой. Чтобы разобраться в этой проблеме, необходимо понимать, каковы отличия UFAD-системы от традиционной системы вентиляции с разводкой воздуховодов в верхней зоне в том, что касается воздухообмена и тепловой нагрузки.

В обычной системе расчет воздухообмена производится для одной зоны в установившемся режиме, как показано на рис. 3, схема А. Расход приточного воздуха определяется в предположении, что система воздухораспределения обеспечивает полное перемешивание воздуха в помещении: заданная температура обслуживаемой зоны (T _oz) равна температуре удаляемого воздуха (T _exh). Расход приточного воздуха определяется из уравнения теплового баланса помещения, когда тепловая нагрузка помещения (Q _?) является суммой всех теплопоступлений:

Q _?=c _pG(T _exh-T _in).

Для расчета воздухообмена в системе вентиляции с подпольной разводкой необходимо составить два уравнения теплового баланса: для каждой из двух температурных зон, формирующихся в помещении. Предположим, что в каждой зоне имеет место полное перемешивание воздуха, но их разделяет «уровень стратификации», который определен как граница по высоте, от которой воздух уже не поступает вниз. Для каждой зоны записывается отдельное уравнение теплового баланса.

Для обслуживаемой нижней зоны уравнение выглядит следующим образом: Q_oz=c _pG(T _oz-T _in).

Подобное же уравнение справедливо для верхней зоны: Q_upz=c _pG(T _exh-T _oz).

При использовании этих уравнений необходимо корректно распределить тепловую нагрузку по зонам: Q_?=Q _oz+Q _upz.

К сожалению, не существует нормативных методов, которыми могли бы руководствоваться инженеры при зональном распределении теплопоступлений (от солнца, искусственного освещения, оборудования и людей), поэтому в каждом случае надо принимать самостоятельное решение.

Если консервативный проектировщик относит слишком большую часть нагрузки к обслуживаемой, это увеличивает расход приточного воздуха. В системах вентиляции с переменным расходом воздуха возможно дросселирование приточных устройств по сигналу зонального регулятора. В системах вентиляции с постоянным расходом (в UFAD-системах внутренние зоны проектируются именно таким образом, с целью упрощения) избыточный объем притока вызывает снижение температуры помещения и удаляемого воздуха.

Практический опыт позволяет предположить, что избыточная вентиляция является основной проблемой в зонах с постоянным расходом приточного воздуха. Например, в недавнем натурном обследовании одного из объектов после ввода в эксплуатацию было обнаружено, что в каждой отдельной секции открытого офиса воздухораспределитель был закрыт вручную. Опросы выявили множество жалоб: «слишком холодно». Это согласовывалось с фактом подачи приточного воздуха в избыточном количестве.

Другой фактор, который следует принять во внимание, – совместный охлаждающий эффект утечек воздуха через неплотности фальшпола и радиационно-конвективное охлаждение от большой поверхности пола. Исследования на одном из объектов показали, что этот эффект «вентиляции без приточных устройств» количественно составляет, в зависимости от типа коврового покрытия, 0,762–1,27 л/с•м ² при давлении 12,4 Па [2]. Для внутренних зон с большой насыщенностью оборудованием и освещением ассимиляция тепловыделений за счет такого неорганизованного притока достигает 50 % потребности охлаждения. Если не принимать в расчет это явление при определении воздухообмена для внутренней зоны, может иметь место переохлаждение помещения.

Регулирование по принципу переменного расхода приточного воздуха для внутренней зоны – это один из способов уменьшить переохлаждение помещений и «недогрев» удаляемого воздуха. Пример реализации системы вентиляции с переменным расходом воздуха для внутренней зоны показан на рис. 4. Система регулирования включает каскадный контур, где по сигналу датчика температуры изменяется настройка регулятора давления в приточном канале. При этом изменяется положение регулирующей заслонки в подпольном канале. Воздухораспределители периметральной зоны не подвергаются воздействию давления в приточном тракте внутренней зоны, так как они снабжаются воздухом от отдельных вентиляторов; в расчетных условиях для этой зоны на регуляторе задается нулевой перепад давлений.

Выводы

Настоящая статья содержит практические советы по проектированию зданий с UFAD-системами. Автор делится опытом внедрения ряда проектов в этой области, надеясь внести свой вклад в усовершенствование проектирования и монтажа UFAD-систем, и призывает других специалистов последовать его примеру.

Литература

1. Bauman F., Webster T. Outlook for underfloor air distribution // ASHRAE Journal. 2001, № 43 (6). P. 18–27.
2. Reese J. A. York International Corporation, vice president Air Products Group. Personal Communication. February 2002.

Журнал “Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха,теплоснабжение и строительная теплофизика” (АВОК)