Распределение воздуха под полом Underfloor air distribution (UFAD)
Это стратегия распределения воздуха для обеспечения вентиляции и кондиционировании пространства в зданиях и сооружениях в условиях разработки комплексной системы вентиляции и кондиционирования. «УФАД» системы используют строго подпольный воздухообмен, располагающийся между бетонными плитами перекрытия и установленной системой фальшпола. Кондиционирование происходит через диффузоры непосредственно в пространство помещения.
Основной характеристикой системы УФАД является тепловая стратификация (горизонтальное движение кондиционированного воздуха), которая позволяет устанавливать значения термостата значительно выше, нежели в традиционных подвесных системах. Пиковые значения температуры в системах УФАД значительно отличаются от привычных показателей вследствие наличия фальшпола.
Подпольное распределение воздуха имеет несколько принципиальных преимуществ по сравнению с подвесными системами, в том числе:
- увеличение эффективности вентиляции;
- более широкий температурный диапазон подачи воздуха;
- повышение эффективности использования энергоресурсов;
- заметное снижение стоимости рабочего цикла системы.
Системы УФАД часто используют в офисных зданиях, где офисные помещения расположены часто, или их планировка является свободной – в таких cтроениях фальшполы являются весьма желательной конструкцией для прокладки инженерных систем и систем разводки проводов. В принципе, такие вентиляционные системы подходят для школ, церквей, аэропортов, музеев, библиотек и рекламных павильонов.
Наиболее примечательными зданиями и сооружениями, где была реализована система УФАД, являются: Нью-Йорк Таймс Билдинг, Башня Банка Америки и Федеральное здание администрации Сан-Франциско.
Для обеспечения герметичности воздуховодов система УФАД должна быть спроектирована и смонтирована на стадии общего строительства, чтобы полностью исключить утечки воздуха во всей системе вентиляции и кондиционирования здания.
Описание системы.
Системы вентиляции УФАД основываются на установках приточной вентиляции для фильтрации и контроля за состоянием воздуха, который, через диффузоры поступает непосредственно в рабочую зону помещения. Издержкой традиционных систем является использование воздуховодов для распределения воздуха, а УФАД использует подпольную нишу помещения с помощью установки конструкции фальшпола.
Расстояние от бетонных плит перекрытия до конструкции фальшпола составляет в среднем от 0,3 до 0,46 метра, хотя допустимы и более низкие конструкции. Специально разработанные диффузоры используются, как место выхода вентилируемого и кондиционированного воздуха.
Самая распространенная конфигурация УФАД системы состоит из мощного центрального (главного) агрегата, который нагнетает воздух через герметичный газосборник и внутрипольных диффузоров.
Другие варианты могут создаваться при участии вентиляторов подключенных к электроэнергии рабочих приборов и техники, специализированных кабельных каналов, вентиляционных отверстий или соединении с индивидуальными системами управления микроклиматом (кондиционеры и сплит-системы).
UFAD распределения воздуха и стратификация.
Температурная (термальная) стратификация – это результат процессов, которые происходят внутри слоя воздуха с приблизительно одинаковой плотностью. В сумме своей все слои воздуха составляют вертикаль (вертикальный градиент), в которой слои с большей плотностью и меньшей температурой находятся внизу, а более нагретый и разряженный – вверху.
Стратификация основывается на тепловой плавучести (вертикальном перемещении при изменении плотности и температуры) приточного воздуха на уровне человеческого роста, а остальные слои движутся безусловно под действием перемещения остального воздуха.
УФАД системы извлекают выгоду из естественной стратификации, которая сопутствует вертикальным перемещениям разных по температуре слоев.
В УФАД системах кондиционированный воздух остается внизу, в рабочей зоне помещения, в то время, как источники тепла, такие как люди офисная техника, несут теплый воздух вверх вместе с загрязнениями от источников тепла, где вся эта смесь будет удалена через рециркуляционные воздуховоды.
Большинство стационарных источников тепла и кондиционирования находятся в области, которая гораздо холоднее, чем температура вверху: следовательно, существует рекомендательная практика повышения установленных значений термостата, если сравнивать УФАД с традиционными подвесными системами.
Оптимальное вентиляционное снабжение потребителей призвано ограничить перемешивание приточного воздуха с воздухом помещения в районе усредненного человеческого роста. Выше этой отметки уровень загрязнения является несколько выше, но в пределах допустимых значений эти показатели считаются разрешенными. Воздух, которым дышит среднестатистический человек, будет иметь более низкую концентрацию загрязняющих веществ по сравнению с обычными системами равномерного смешивания воздуха.
На эффективность УФАД влияет много различных факторов: высота потолков, характеристики диффузоров, температура приточного воздуха, общий его расход, тепловая нагрузка и режим вентиляции и кондиционирования.
Воздухообмен и перфорированные напольные панели диффузоров доказали, что они пригодны для создания низкой скорости потока воздуха в рабочей зоне, в то время как линейные диффузоры, производящие наибольшую скорость в замкнутом помещении, приводят к расслоению воздуха (хаотичному движению) и потенциальному риску отказа всей системы. Кроме того во внутрипольные диффузоры добавляется элемент персонального контроля в пределах досягаемости работника, чтобы было возможно регулировать объем поступающего кондиционированного воздуха через диффузор.
Характеристики и применение UFAD на холоде.
Принципиальная технологическая схема расчета, показывающая нагрузку от охлаждения, предполагает рассчитывать значения для верховых смесительных систем УФАД (кондиционеров), а затем поделить получившиеся, между непосредственным нагнетанием воздуха в помещение и его возвратом в пленум (пространство между бетонными плитами и фальшполом).
Диаграммы охлаждающей нагрузки для систем УФАД и традиционных воздушных систем различны. В основном из-за накопления тепла и эффекта легкого веса напольных панелей в сравнении с более тяжелыми бетонными плитами перекрытия. Сам факт наличия фальшпола снижает способность бетонной плиты накапливать тепло, тем самым создавая условия для систем фальшпола с более высокой пиковой холодильной нагрузкой – опять же в сравнении с традиционными системами кондиционирования.
Часть поступающего в течении дня солнечного тепла сохраняется в плите перекрытия, уменьшая тем самым пиковые нагрузки в зоне охлаждения, а когда система УФАД выключена – происходит отдача тепла в ночное время.
Наличие фальшпола в системах УФАД помогает трансформировать поглощенное солнечное излучение из бетонных плит перекрытия в более легкие материалы, приводя к относительно высокой пиковой зоне охлаждающих нагрузок.
Моделирование, основанное на прототипах EnergyPlus, показало, что, как правило, УФАД имеет пик охлаждения в районе 19%, тогда как подвесные системы показывают от 22 до 37% по всему объему охлаждения, соответственно идет перегрузка венткамеры и вброс в помещение некачественно обработанного воздуха.
В центре искусственных сред был разработан новый индекс охлаждения УФАД -коэффициент нагрузки (СКБР), который определяется отношением пиковой холодильной нагрузки и рассчитывается для системы УФАД в пик нагрузки охлаждения на примере расчета для традиционных систем полного смешивания воздуха для охлаждающей нагрузки для каждого помещения с традиционным пиком нагрузки в холоде. СКБР определяется с учетом типа помещения и уровня пола в зоне кондиционирования. Фракционная подача воздуха по стадиям – приточная фракция, фракция помещения и фракция возврата в пленум – разрабатывается аналогично расчету питания пленума и циркуляции воздуха при кондиционировании.
UFAD инструменты для создания воздушного поток.
Существует два варианта проектирования для определения скорости воздушного потока, применимой к системам УФАД – один разработан в университете Пердью в рамках системы классификации Ashrae(исследовательский проект РП1522), а другой – в центре искусственных сред в университете Калифорнии в Беркли (ПБС).
Исследовательский проект РП 1522 разработан, как упрощенный инструмент, который учитывает разницу температур по вертикали между головой и лодыжками человека (условно и среднестатистически), подачу воздуха и расход для одной зоны пленума, количество диффузоров и воздухораспределительную эффективность.
Эта методика предлагает указать конкретную зону охлаждения и долевые нагрузки системы охлаждения, подсчитанные для подпольного пространства. Она также требует от пользователя ввода температуры приточного воздуха в диффузоре или в воздуховоде, но с соотношением расхода воздуха для питания отдельного помещения при известной скорости воздушного потока. Методика позволяет сделать выбор из трех типов диффузоров, она применима к семи типам зданий – офисы, классы, мастерские, рестораны, розничные магазины, актовые и конференц-залы.
Инструмент проектирования на основе обширных исследований способен прогнозировать потребность в кондиционировании для УФАД систем в сходной конструкцией охлаждающей нагрузки, рассчитанной для того же здания с подвесной системой. Он также прогнозирует расход воздуха, температурную стратификацию в помещениях и пленуме, прирост температуры внутри и по периметру помещений типичного многоэтажного офисного здания с применением системы УФАД. Методика позволяет выбирать и одну из четырех существующих конфигураций нагнетания (рядную, обратно рядную, независимую и общую) и три варианта диффузоров (водоворот, линейная штриховка и площадка). Онлайн-версия проектной методики находится в свободном доступе на сайте Центра искусственных сред.
Повышение температуры воздуха в пленуме. Пути передачи тепла в системы UFAD
Условием повышения температуры при подаче воздуха является увеличение кондиционированного воздуха за счет конвективного притока тепла, проходящего через подпольные зоны непосредственно на диффузоры. Это явление более известно как термический распад.
Нагнетание воздуха при повышении температуры вызвано холодным приточным воздухом, который соприкасается с более теплым фальшполом и бетонной плитой перекрытия. По данным исследования рост температуры воздуха при таком нагнетании повышается значительно (на 5 градусов Цельсия). В последствии, в сравнении с идеализированной имитацией системы УФАД, рост температуры на диффузоре может привести к ускорению воздушного потока, а также к росту потребления энергии для охлаждения системы.
То же исследование показало, что с рост температуры летом и зимой зависит от конкретных климатических условий. Тепла от плит первого этажа происходит значительно меньше, чем со средних и верхних, а увеличение температуры приточного воздуха вызывает снижение температуры в помещениях. Повышение температуры существенно не повлияло на внутренние теплопоступления от окон и стен. Повышение температуры нагнетаемого воздуха оказывает влияние на потенциал энергосбережения системы УФАД, а также на способность удовлетворять требования к охлаждению питания с температурами выше обычных воздушных систем. Текущие исследования предполагают, что обе характеристики (энергетическая и тепловая) могут быть улучшены в УФАД системах в условиях подключения периметральных воздуховодов, где нагрузки традиционно выше. Критики полагают, что такие воздуховоды уменьшают преимущество низкого давления в полости фальшпола, а также добавляют осложнений при проектировании и при монтаже воздуховодов по периметру пола.
Утечка воздуха в UFAD
- Утечки, влияющие на охлаждение и повышающие нагрузку на вентиляторы
- UFAD утечки в пространство, способствующие охлаждению.
Утечки в системах УФАД в воздуховодах питания могут быть основной причиной неэффективности работы всей системы. Существует два основных типа утечек – протечки в пространстве и утечки в пути, в обход пространства.
Первая категория утечки не влияет на увеличенный расход энергии, так как воздух попадает в зону где он должен охлаждать. Вторая категория протечек увеличивает потребление энергии, необходимой для поддержания постоянного давления в пленуме подпольного пространства. Нужно уделять особое внимание на стадии строительства пленума, чтобы избежать чтобы получить работающую герметичную систему.
Традиционная потолочная смесительная система располагает приточный и рециркулярный воздуховоды на уровне потолка. Приточный воздух поступает выше чем обычно нужно для человеческого комфорта, и температура может быть выше, ниже или комфортной в зависимости от охлаждающей нагрузки. Фанкойлы распространяют воздух по комнате, создавая сквозняки.
Хорошо спроектированная УФАД система имеет несколько преимуществ, таких как свободное расположение воздуховодов, улучшенный температурный комфорт, лучшая эффективность вентиляции, более качественный воздух в помещении, повышенная энергоэффективность, низкие расходы на эксплуатацию.