Фасадные системы локальной вентиляции для квартир и офисов

Ранее в нескольких статьях была разобрана теоретическая база для оценки параметров систем вентиляции в отдельных помещениях.

https://habr.com/ru/articles/729574/

https://habr.com/ru/articles/732144/

https://habr.com/ru/articles/738644/

https://habr.com/ru/articles/736140/

Теперь настала очередь для обзора конкретных технических реализаций подобных локальных вентиляционных систем, особенностью которых является привязанность всех воздуховодов только к внешней уличной стене данного помещения, то есть к фасаду здания.

Как и ранее мы будем рассматривать отдельную квартиру в 2-3 комнаты (40-80м.кв + 4человека) или модуль офисного помещения 6х6 метров (36м.кв + 6 человек).

Для этих двух типов помещений производительность вентиляционных систем будут приблизительно одинаковыми.

Размер приточного отверстия и основных воздуховодов

Первой задаче можно считать определение физического размера приточного и вытяжного отверстий.

Для вытяжки предел скорости при выбросе на фасад определяется СП60-2020 величиной 2,5м/с.

Для притока и того меньше 2м/с в живом сечении решёток.

Таким образом минимальная расчётная норма 20м3/ч для офисного модуля на 6 человек даст расход приточной системы:

20*6=120м3/ч

Для квартиры по норме 30м3/ч на человека расход системы вентиляции для 4 жильцов составит те же

30*4=120м3/ч.

То есть на маленький офис или среднюю квартиру необходимо устанавливать однотипную систему локальной приточно-вытяжной вентиляции с расходом 60-120м3/ч.

Для максимального притока 120м3/ч на скорости 2м/с потребуется приточное отверстие в стене диаметром Ф160мм (по стандартному ряду типоразмеров).

Предыдущий диаметр Ф125мм обеспечивает недостаточный расход на скорости 2м/с.

Пот факту же ограничение скорости 2м/с касается только приточной решётки на фасаде, а скорость потока непосредственно в воздуховоде может быть и выше (до 3м/с).

Таким образом на фасаде необходима квадратная решётка 150х150мм (стандартный шаг размеров 50мм), после которой сквозь стену идёт воздуховод Ф125мм.

Для вытяжной системы эти размеры также подходят.

Распределительная сеть для приточного воздуха в помещении

Приточный воздух с улицы в холодное время года надо нагревать.

Согласно предыдущим оценкам из прошлых статей для целей нагрева притока более всего разумно использовать имеющиеся теплоизбытки от людей и электроприборов.

Так для нагрева 20м3/ч от уличной температуры минус -26С до +24С в помещении необходима мощность

N=20*(24-(-26))*1,2/3600= 0,333кВт.

Эта мощность теплоизбытков в 0,33кВт /чел   всегда присутствует в современном офисе, а именно: (100Вт от человека) + (250Вт от компьютера)+(120Вт от электроосвещения).

 Итого: гарантированно более 350Вт.

Таким образом в офисном помещении нагрев приточного воздуха можно обеспечивать целиком за счёт избыточного тепла в офисе, без применения дополнительного нагревателя с затратой дополнительной внешней энергии в приточной установке.

Для использования избытков тепла в офисе для нужд нагрева приточного воздуха с улицы необходимо как-то отнять тепло у офисного воздуха, передав его к струе холодного воздуха с улицы.

Желательно, чтобы такая передача тепла была максимально проста и дешева в исполнении.

Способов организации такого теплообмена несколько.

Способ №1

Утилизация тепла от работающей системы кондиционирования в офисе

Данный способ требует как наличия самой системы кондиционирования, так и возможность отбора тепла от внешних компрессорно-конденсаторных блоков (далее ККБ).

Данный способ требует достаточно серьёзного усложнения системы кондиционирования как в части самих ККБ, так и в части приточных установок.

Такой вариант подходит больше для крупных зданий с центральными приточными установками, чем для локальных пофасадных приточных систем.

Способ №2

Перемешивание холодного притока с улицы с тёплым воздухом помещения

Перемешивание холодного приточного воздуха с улицы с тёплым воздухом в помещении позволяет получить общую смесь воздуха с температурой большей, чем на улице.

При этом итоговая температура смеси зависит от кратности соотношений смешиваемых объёмов и от температур воздушных струй до смешивания.

Так предположим, что под потолком офиса температура составляет +29С, то есть она выше необходимой комфортной температуры +24С в рабочей зоне.

Значит нам необходимо взять некий объём V1 внутреннего офисного воздуха с Т1=+29С и смешать его с объёмом V2 с более низкой температурой Т2=-26С притока с улицы, при этом получив температуру смеси Т3=+24С.

Для расчёта нужно составить систему уравнений:

V1+V2=V3

Т1*V1+T2*V2=T3*V3

Подставив одно уравнение в другое получим уравнение с двумя неизвестными:

Т1*V1+T2*V2=T3*(V1+V2)

Подставим значения температур в уравнение

(-26)* V1+29*V2=24*(V1+V2)

Раскроем скобки, перенесём одноимённое в одну сторону и получим:

(-26)* V1+29*V2=24*V1+24*V2

(29-24)*V2=(24+26)*V1

5* V2=50*V1

Получаем :

V2=10*V1

Так как параметр V1=120м3/ч

Тогда:  V2= 1200м3/ч, V3=1320м3/ч.

Для обеспечения такого смешивания в отношении 1:10  нужен дополнительный перемешивающий вентилятор с  расходом 1320м3/ч для рециркуляции по офису.

В качестве реализации такой приточно-рециркуляционной системы с подмесом подходит стандартный потолочный кассетный или канальный фанкойл с расходом 1320м3/ч, в воздухозаборный тракт которого подмешивается струя холодного притока с улицы.

Для некоторых кассетных фанкойлов подобный 10% подмес приточного воздуха изначально предусмотрен в конструкции корпуса фанкойла. Правда в таких «фанкойлах с подмесом» для нормированной подачи подмешиваемого приточного воздуха используется дополнительный вентилятор малого размера, засасывающий воздух по отдельному воздуховоду с улицы. То есть конструктивно это просто два раздельных устройства «фанкойл + бризер» продаваемых комплектно в одном ящике. (см.рис.1)

Рис.1. Принудительный режим смешивания холодного приточного воздуха с внутренним тёплым воздухом на кассетном фанкойле с утилизацией теплоизбытков на нагрев приточного воздуха.

Для канальных фанкойлов такой 10% подмес свежего приточного воздуха в основной объём рециркуляции легко реализуется в любой модели простым вбросом перед воздухозабором фанкойла холодного уличного воздуха (см.рис.2-А). При этом вброс холодного воздуха нужно делать распределённым по всей длине фанкойла равномерным плоским потоком, чтобы компактная струя ледяного уличного воздуха не заморозила локально калорифер с водой.

В качестве альтернативного варианта возможно вбрасывать приточный воздух уже после фанкойла непосредственно в воздухораспределительную сеть (см.рис.2-Б)

 

Рис.2. Принудительный режим смешивания холодного приточного воздуха с внутренним тёплым воздухом на канальном фанкойле с утилизацией теплоизбытков на нагрев приточного воздуха.

Вариант №3

Струйно-эжектирующая подача притока

В качестве наиболее простого варианта может быть предложена схем с «Эжектирующим подмесом».

В этом варианте ранее рассчитанное отношение смешивания 1:10 уличного и внутреннего воздуха обеспечивается без применения дополнительного вентилятора рециркуляции (фанкойла с подмесом).

Вместо перемешивающего вентилятора используется эффект «эжекции», в котором тонкая струя воздуха с высокой скоростью врывается в большой объём воздуха, где тормозится до низкой скорости с одновременным перемешиванием с окружающим медленным воздухом.

Отношение 1:10 в смеси обеспечивается при торможении приточной струи в 10 раз от 2м/с до 0,2м/с, при этом струя расширяется в 100 раз по сечению и в 10 раз по диаметру струи.

Второе удесятирение связано с тем, что при увеличении в 10 раз расходе от смешивания и уменьшенной  в 10 раз скоростью от торможения придётся эти две десятки перемножать, чтобы получить сечение конуса, в которое это количество воздуха проходит в единицу времени без разрыва потока.

В качестве такой распределительно-перемешивающей системы в офисе можно применить воздуховод-коллектор под потолком над окнами, из которого через несколько малых отверстий будет вырываться тонкие горизонтальные струи холодного воздуха в перегретый объём воздуха под потолком помещения.

Если предполагается длина коллектора 6 м, то при расстановке отверстий каждые 100мм получим 60 отверстий с расходом 2м3/ч через каждое.

При скорости воздуха 2м/с диаметр отверстий составит Ф19мм.

То есть при увеличении в 10  раз по диаметру  это будет уже Ф190мм, что уже больше расстояния между соседними соплами, а значит струи начнут сливаться и перестанут иметь форму конуса, превратившись  в сплошной недогретый поток воздуха под потолком.

Значит отверстия нужно делать меньшего диаметра, а скорость истечения воздуха увеличивать.

Увеличим скорость в 4 раза до 8 м/с, что достигается уменьшением диаметра в 2 раза при неизменном расходе.

При этом по закону сохранения импульса десятикратное разбавление будет также достигнуто при торможении в 10 раз, а это уже будет 8/10=0,8м/с, что несколько многовато для скорости воздуха в рабочей зоне.

 В итоге скорость 0,2м/с будет достигнута при смешивании в пропорции 8:0,2=40:1 или в 40 раз, а площадь сечения увеличится уже не в 40 раз, а в 40*40=160раз.

При этом диаметр конуса на перепаде скорости с 8м/с до 0,2 м/с вырастет в 40 раз с Ф10мм, то есть  до Ф400мм.

Получаеся, что повышение скорости не решает проблемы недостатка длины коллектора, а только усугубляет её.

Тогда для равномерного перемешивания воздуха без перекрытия конусов струй  до достижения нужной температуры смеси Т= +24С и скорости потока  менее 0,2м/с необходимо раздвигать приточные отверстия между собой, увеличивая длину распределительного коллектора.

Удлинять коллектор надо как минимум в 2 раза, прокладывая коллектор не только по фасадной стене, но и по боковым перегородкам.

Удлинение шага возможно также если сделать прокладку коллектора той же длины не вдоль наружной стены, а через середину помещения чтобы отверстия располагались по двум бокам одного коллектора и были уже на расстоянии 200мм друг от друга (см.рис.3)

Рис.3. Эжектирующий режим смешивания холодного приточного воздуха с внутренним тёплым воздухом с утилизацией теплоизбытков на нагрев приточного воздуха: А- коллектор расположен вдоль стены с отверстиями в один ряд в сторону комнаты, Б- коллектор расположен по середине комнаты с отверстиями в два ряда по разным сторонам коллектора.

В случае эжектирующей подачи холодного воздуха под потолком в помещении образуется устойчивый круговой поток от коллектора к противолежащей стене со снижением охлаждённого потока к полу. После чего воздух нагревается от теплоотдачи людей и компьютеров, а затем уже нагретым снова поднимается к потолку для смешивания с холодными струями нового свежего воздуха от приточного коллектора.

Регулирование расхода притока при изменении температуры на улице

Проведённый расчёт относится к самой холодной пятидневке зимы, когда температура воздуха в Москве падает до расчётных минус-26С. Тогда как в среднем за зиму температура колеблется чуть ниже нуля  в диапазоне  -8С..-3С.

При  температуре минус -3С на улице для снятия постоянного по номинальной мощности теплопритока в офисе потребуется уже в 2 раза больший расход воздуха. То есть вентилятор  притока без затрат дополнительного тепла из внешних источников сможет уже подавать  не минимальную норму 20м3/ч на человека, а все 40м3/ч, которые уже соответствуют полной норме на вентиляцию при наличии открываемых окон.

В начале отопительного периода ранней осенью, когда среднесуточная температура в Москве колеблется в районе +8С, для снятия  неизменного потока теплоизбытков в офисе потребуется уже 60м/ч на человека.

Такой трёхкратный разброс по необходимому расходу притока в течении зимы требует системы регулирования приточной установки, а именно возможность пропорционального уменьшения расхода воздуха с улицы приточным вентилятором локальной приточной установки.

Для систем с принудительным перемешиванием разнотемпературных потоков воздуха в фанкойле особых проблем не возникает, так как увеличение расхода в три раза  более тёплого воздуха с улицы никак не повлияет на работу фанкойла в постоянном режиме.

А вот для  системы с эжектирующим перемешиванием нужны некоторые чуть более сложные способы регулирования, так как скорость потока из отверстий мы не можем менять произвольно.

Так  в системе с эжектированием расход  по отдельным отверстиям должен оставаться неизменным. В этом случае есть два варианта решения, а именно:

1. Нужно затыкать отдельные отверстия при снижении расхода притока с улицы.

2. При неизменном расходе по отверстиям нужно снижать расход с улицы, замещая  недобор притока  рециркуляционным воздухом из помещения на клапане подмеса перед вентилятором. (см.рис.4)

Понятно, что регулировать приток через один регулирующий клапан подмеса удобнее, чем затыкать или раскупоривать десятки отверстий.

 

Рис.4. Регулировка температуры воздуха в отверстиях  эжектора за счёт изменения степени подмеса внутреннего воздуха в приточный канал перед вентилятором притока: А- максимальный подмес 20:40 м3/ч при расчётной уличной температуре  минус-26С, Б-средний зимний режим с коэффициентом смеси  близким к 30:30, В- прямой приток 60м3/ч на человека уличного воздуха без подмеса внутреннего воздуха при плюсовых температурах на улице в межсезонье и летом.

Подбор приточного вентилятора

Расход-напорная характеристика

Выбор приточного вентилятора для осуществления пофасадного локального притока осуществляется по трём основным параметрам:

• расход воздуха 20-60м3/ч для квартиры или 120-240м3/ч для офиса,

• напор вентилятора 100-200Па при заданном расходе,

• шумность вентилятора ниже 30дБ.

Напор вентилятора необходим для преодоления сопротивления фильтра и сопротивления воздуховодной сети.

Основную часть напора вентилятора съедает сопротивления именно фильтра.

Сам фильтр нужен только летом для защиты от пуха и насекомых.

Зимой фильтр практически бесполезен, так как нет витающих в воздухе крупных загрязнений.

От мелкодисперсной пыли приточный фильтр либо не защищает, либо такой фильтр фильтрует мелкодисперсную пыль и при этом имеет слишком высокое сопротивление (НЕРА фильтр).

При работе в зимнее время фильтр из приточной системы можно вообще снимать (вынимать картридж из корпуса).

Шумовая характеристика

При подборе вентилятора для квартир наиважнейшим является фактор ШУМА.

Если в офисе шумность вентилятора будет не так заметна из-за шума людей и компьютеров, то в квартире слышимость работы вентиляторов становится критически важной, особенно ночью.

Для притока в квартире нужны ультра тихие вентиляторы.

К категории таких тихих вентиляторов относятся вентиляторы S&P. (см.рис.5)

Рис. 5. Ультра тихий вентилятор серии Сайлент фирмы S&P (Испания).

Их специально разрабатывали в качестве таких ультра тихих вентиляторов для жилья.

 Но низкий шум достигается не только за счёт высоко качества изготовления (шариковые подшипники высокого качества и высококачественный пластик крыльчатки), но и за счёт снижения напора вентилятора при пониженной мощности с меньшей частотой вращения.

То есть тихий вентилятор не может развить высокое давление, необходимое для преодоления мощных фильтров.

На низкой скорости вентилятор S&P c расходом 60м3 способен выдать давление всего 40Па, что не позволяет использовать фильтр тонкой очистки вообще, а лишь грубую сетку с относительно большими ячейками. (см.рис.6-7)

Именно по этой причине в специализированные бризеры с мощными многорядными фильтрами приходится ставить высоконапорные радиальные вентиляторы (см.рис.8), которые неизбежно гораздо сильнее шумят, чем низконапорные вентиляторы типа S&P.

 

рис.7Рис.6. Характеристики «напор-расход» для вентиляторов серии Сайлент фирмы S&P (Испания).

рисРис.7.  Шумовые характеристики для вентиляторов серии Сайлент фирмы S&P (Испания).

Рис.8. Бризер с многорядным фильтром тонкой очистки и высоконапорным радиальным вентилятором. Так как в составе есть электронагреватель 1,4кВт, то этот бризер становится по факту полноценной приточной установкой, способный нагреть 90м3/ч на дТ=46С градусов, то есть с минус -26С на улице до +20С в квартире.

По этой причине в тихой приточной системе лучше не использовать фильтры с высоким сопротивлением хотя бы в зимнее время.

Тогда как летом при работе кондиционера более высокий шум на более высокой мощности вентилятора будет не так заметен.

В офисе фанкойл работает круглый год, а потому проблема шума от малоразмерного канального приточного вентилятора практически не актуальна.

Работа вытяжки при работе пофасадной приточной системы

Разобравшись с работой локальной приточной системы необходимо понять куда девать вытяжной воздух ровно в тех же объёмах.

Так как у нас принят принцип локализации всех систем вентиляции, то и вытяжку мы организуем через такое же отверстие на фасаде, как и приток.

Для обеспечения вытяжки нам достаточно открыть окно на щелевое проветривание или организовать ещё одно отверстия в стене.

Специальный отдельный вытяжной вентилятор при этом не требуется, так как весь воздухообмен обеспечивает один приточный вентилятор.

При  работе единственного вентилятора балансировка системы осуществляется естественным образом без каких-либо дополнительных проблем.

При этом даже ветер на улице не может поменять балансировку воздухообмена внутри помещения,  если оба отверстия притока и вытяжки находятся рядом на одной стене в одинаковых условиях внешнего подпора ветром. Распределение давлений по системе, включая давление ветра и давление внутри помещение указаны на рисунке (см.рис.9.)

В случае устройство локальной квартирной вентиляции с фасада необходимо обеспечить герметичность квартиры, чтобы исключить неконтролируемый переток воздуха внутрь здания. Для этого входную дверь необходимо делать с уплотнениями по контуру, включая порог.

При наличии в квартире в многоквартирном доме общедомовой естественной вытяжки из кухни и санузла можно не делать отдельные выбросы вытяжки на фасад.

При наличии принудительного вентиляторного  притока в квартиру система ВЕ здания  уже не опрокидывается и работает корректно под давлением нормирующего  приточного вентилятора данной квартиры.

Рис.9. Давления в системе пофасадной вентиляции с учётом  динамического давления ветра. Перепад давления дР=13-10=3Па между улицей и квартирой связан с разницей давления на вытяжном отверстии для естественного разгона потока воздуха до скорости 2м/с при динамическом напоре около 3Па.

Пофасадные системы вентиляции в больших офисных пространствах типа «опен-спейс»

Если для квартиры с герметичными внутренними стенами и с персональной вентиляцией с фасада  всё  устраивается хорошо даже в сильный ветер, то в больших офисах с окнами на разные фасады ситуация с балансировкой вытяжки уже не так однозначна.

Предположим, что у нас офис – это как большая квартира с окнами на разные стороны дома.

Тогда покомнатные бризеры в комбинации с вытяжными отверстия из санузлов и щелями в окнах станут создавать очень переменчивую картину в разных комнатах при сильном ветре  в сторону разных фасадов.

Так  при общем внутреннем избыточном давлении будут разные перепады давления  между улицей и помещением на отверстиях в стенах (щелях в окнах) на разных фасадах.

Избыточное давление, созданное напором ветра в помещении, будет перетекать через помещение и стравливаться через щели и отверстия на противоположном фасаде, где будет ветровая тень с нулевым давлением или даже с небольшим разрежением в турбулентной зоне за зданием.

Тогда получится, что на вытяжку будут работать только отверстия на «теневой» к ветру стороне фасада. Тогда как на «наветрянной» стороне здания приточные отверстия могут как просто остановится (см.рис.10), так и начать работать на  неконтролируемы избыточный приток.

В окончательном варианте расчёт реального баланса возможен только с учётом фактической площади открытых отверстий на разных фасадах.

Так если площади щелей и отверстий с разных сторон одинаковы, то картину баланса не испортит даже небольшой  ветер, хотя по самому «опен-спейсу» будет существовать переток  вытяжки от одного фасада к другому, но при этом на «наветренном» фасаде даже открытые к ветру  отверстия не начнут пускать избыток воздуха внутрь (отверстие  открыто, но из него не дует).

Стабильность по направлению вызвана тем, что сопротивление на входе в отверстие (разгон струи) зависит квадратично от скорости.

Таким образом удвоение расхода на вытяжку на одном фасаде с остановкой вытяжки из отверстий другого фасада потребует 4-х кратного роста перепада давления на отверсти из помещения.

Если в схеме с квартирой подпор в помещении был всего 3 Па при скорости на вытяжке 2м/с, то учетверение подпора до 12 Па при вытяжке через  половину отверстий никак не покроется давлением скоростного напора от ветра 4м/с.

Если же ветер усилится до 5м/с (15Па скоростной напор), то тогда уже возможно незначительное затекание  в отверстия с наветренной сторон с перетоком всей вытяжки к наветренному фасаду.

Из чего следует вывод, что при скорости ветра выше 4м/с (10Па динамического напора) требуется уменьшать площадь  открытых вытяжных отверстий  и закрывать щели в окнах с наветренной стороны.

Рис.10. Пофасадная вентиляция в офисе типа «опен-спейс» с выходами на два противоположных фасада.Перепад давления на наветренном фасаде в отверстие с нулевым расходом также равен нулю дП=0 Па. При ситуации нулевого подпора в помещении для обеспечения устойчивого нормирования вытяжки из санузлов необходимо на вытяжной канал из С/У устанавливать отдельный постоянно работающий вентилятор с напором по сети большим, чем от самого сильного ветра на фасаде.

Заключение

Рассмотренные варианты устройства локальных пофасадных системы приточно-вытяжной принудительной вентиляции приводят к некоторым интересным неожиданным выводам, а именно:

1. Применение локальных пофасадных  приточных систем без дополнительного нагрева позволяет  справляться с теплоизбытками в офисах в зимнее время, при этом не требуется никаких усложнений  и удорожаний в конструкции системы летнего кондиционирования.

2. Переменный расход пофасадных  приточных систем позволяет большую часть зимы удерживать высокую норму 40м3/ч на вентиляцию, роняя её до 20м3/ч на человека только на 1-2 недели в году в период,  когда на улице стоят расчётные морозы минус -26С.

3. Применение локальных пофасадных  приточных систем позволяет избавится от центральных систем вентиляции совсем (причём как в жилье так и в офисах), что резко упрощает работу архитекторов по размещению крупногабаритных вентшахт общеобменной вентиляции в силовом ядре здания.

4. Применение локальных пофасадных  приточных систем освобождает  пространство под потолками общих коридоров от громоздких воздуховодов, так как все воздуховоды тонкие (Ф125-160мм) и не выходят за пределы квартир или локальных офисных модулей.

5. Применение локальных пофасадных  приточных систем с режимом теплоутилизации подмесом освобождает заказчика строительства от необходимости резервировать тепловые мощности сетей МОЭК для нужд приточной общеобменной вентиляции. А мощность на вентиляцию может в разы превосходит номинальную мощность отопления в больших зданиях. Такое снижение тепловой мощности может резко удешевить строительство в части подключения к городским тепловым сетям или при строительстве собственной котельной на многократно меньшую номинальную мощность.