Введение

Потребность строителей в вентиляции была признана много веков назад; однако с начала 1970-х годов системы вентиляции зданий и транспортных систем значительно эволюционировали. Это было поддержано исследователями, которые продемонстрировали требования к зданиям для обеспечения комфорта и хорошего качества воздуха в помещении (например, Fanger, 1972; Fanger и Christensen, 1986; Fanger, 1988; European Collaborative Action, 1992).Позже эта потребность возникла для удовлетворения дополнительных энергетических потребностей зданий для достижения уровней качества внутренней среды, установленных этими предыдущими исследователями (Awbi, 2003, 2007; Karimipanah et al., 2007, 2008).

Потребление энергии для отопления, охлаждения и вентиляции зданий часто составляет наибольшую часть потребления энергии в стране, которая по-прежнему в основном основана на ископаемом топливе. Большое внимание в мире уделяется снижению зависимости зданий от энергии ископаемого топлива и переходу к зданиям с почти нулевым уровнем выбросов углерода (NZCB).Это требует значительных изменений в проектировании, эксплуатации и обслуживании зданий и их интегрированных систем отопления, охлаждения и вентиляции. Достижение этой цели потребует переосмысления традиционных конструкций и типов используемых в настоящее время систем. Ожидается, что доля энергии вентиляции по сравнению с общим энергопотреблением в здании увеличится, поскольку энергетические характеристики ткани здания улучшатся, а стандарты вентиляции рекомендуют более высокие уровни вентиляции для улучшения качества воздуха в помещении (IAQ).В то же время новые строительные нормы и правила (Директива 2010/31 / EC, 2010; Строительная норма, 2010) вводят герметичную конструкцию, которая неизбежно повлияет на IAQ, здоровье (например, синдром больного здания) и производительность человека в некоторые будущие здания (Seppänen, 2012).

Несмотря на недавние достижения в области вентиляции зданий (Nielsen, 1993; Etheridge и Sandberg, 1996; Skistad et al., 2004; Awbi, 2011; Müller et al., 2013), очевидно, что в последние годы возросло количество жалоб на плохое IAQ (Gunnarsen and Fanger, 1992; Fisk, 2000, Bakó-Biró, 2004; Fanger, 2006; Boestra and van Dijken, 2010).Таким образом, существует необходимость в оценке существующих методов вентиляции зданий и разработке вентиляционных систем, которые способны обеспечить хорошее IAQ и энергетические характеристики, чтобы удовлетворить жильцов здания и соответствовать новым энергетическим кодексам здания.

В этой статье дается краткий обзор различных типов систем механической вентиляции и распределения воздуха, которые используются в зданиях; выделение тех систем, которые способны обеспечить лучшее IAQ и энергоэффективность. Цель состоит в том, чтобы дать некоторое представление тем профессионалам, чьи задачи заключаются в выборе систем вентиляции для зданий с низким энергопотреблением, которые могут обеспечить необходимый уровень IAQ для пассажиров; и для исследовательского сообщества продолжить исследования в этой области, чтобы разработать новые концепции вентиляции и обеспечить желаемую производительность.

Состояние систем механической вентиляции и распределения воздуха

Вентиляция — это процесс замены загрязненного воздуха в помещении свежим воздухом снаружи здания. Это может быть случайным в виде утечки воздуха через трещины и отверстия в оболочке здания (проникновение воздуха) или преднамеренно обеспечиваемую вентиляцию в форме естественной, механической или их комбинации (гибридный или смешанный режим). При механической вентиляции воздушный поток распределяется с помощью вентиляторов и системы воздуховодов по всему зданию, а затем распределяется в помещении через оконечные устройства или диффузоры.В этой статье основное внимание уделяется текущему состоянию механических систем распределения воздуха в помещениях с особым акцентом на недавно разработанные методы распределения воздуха.

Различные методы механической вентиляции и распределения воздуха в помещении были внедрены и используются в различных типах зданий в течение многих лет. Некоторые из этих классических методов все еще широко используются, такие как смешанная вентиляция (MV), но в настоящее время разрабатываются новые концепции для более широкой коммерциализации, такие как системы с падающими струями (IJ) и системы сливающихся струй (CJ).В стандартной конструкции системы распределения воздуха здание (или помещение) часто рассматривается как пустое пространство с учетом внутренних источников тепла и внешних приростов / потерь тепла, но обычно не учитывается локализованные источники тепла и возникающие тепловые выбросы. от них. Во многих случаях тепловые потоки могут оказывать существенное влияние на движение воздуха не только в случае вытесняющей вентиляции (DV) (которая является его движущей силой), но также и MV (Cho and Awbi, 2007). На практике упрощенный подход к проектированию систем вентиляции, который не учитывает тепловые потоки на мгновение, часто может привести к несоответствующим характеристикам с точки зрения обеспечения качества воздуха и энергетических характеристик.

Ниже приводится краткое описание некоторых из различных методов распределения воздуха в помещении, как традиционных, так и менее традиционных. Такие системы можно разделить на шесть основных типов в зависимости от способа подачи воздуха и вытяжки из помещения (распределение воздуха в помещении). Каждый метод характеризуется схемой воздушного потока, создаваемой в помещении, и расположением устройств подачи / вытяжки воздуха. Более подробную информацию о доступных механических системах можно найти в Cao et al.(2014), но основное внимание здесь уделяется тем системам, которые широко используются или имеют возможность более широкого применения в будущем.

Вентиляция смешанного типа используется дольше, чем любая из известных систем механической вентиляции, и она хорошо документирована в различных руководствах и стандартах по вентиляции (например, ASHRAE Handbook, 2011). Принцип, лежащий в основе системы MV, состоит в том, чтобы смешивать свежий воздух с загрязненным комнатным воздухом для снижения концентрации загрязняющих веществ в помещении. Здесь воздушная струя обычно подается в верхние части помещения (потолок или стена на высоком уровне) с высокой скоростью (обычно> 2).0 м / с) для обеспечения циркуляции воздушных струй по периферии помещения. Некоторые методы подачи воздуха, основанные на MV, приведены в таблице 1. Как правило, скорости воздушного потока определяются количеством изменений воздуха в помещении, которое определяется нагрузкой на охлаждение и обогрев для этого помещения. При правильно спроектированной системе результирующая температура и концентрация загрязняющих веществ в занятой зоне (высота до 1,8 м) должна быть достаточно равномерной. Хотя это широко используемая система распределения воздуха, известно, что она не очень эффективна с точки зрения обеспечения хорошего качества воздуха и энергетических характеристик (Karimipanah et al., 2008).

Таблица 1 . Краткое описание типов распределения воздуха в помещении .

В отличие от MV, система DV основана на принципе вытеснения загрязненного воздуха помещения свежим воздухом, подаваемым извне. Холодный воздух обычно подается с низкой скоростью (обычно <0,5 м / с) к полу или около него, чтобы создать движение воздуха вверх (тепловые потоки), так как он нагревается от источников тепла в комнате (см. Таблицу 1). Эта схема потока обычно создает вертикальные градиенты температуры воздуха и концентрации загрязняющих веществ.Скорости воздушного потока для этого метода обычно определяются ограничением температуры подачи воздуха (обычно> 17 ° C), чтобы избежать сквозняков из-за низких температур воздуха на уровне пола. Однако из-за того, что движение воздуха в помещении в основном обусловлено силами плавучести, этот метод можно использовать только для охлаждения. Этот метод распределения воздуха обычно более энергоэффективен, чем MV, так как он требует меньшей мощности вентилятора и имеет более высокую эффективность вентиляции, чем смешивание.

Хотя система DV обычно обеспечивает более эффективный способ подачи воздуха, она имеет два основных недостатка: (1) она не может использоваться в режиме обогрева; (2) подача свежего воздуха имеет ограниченную глубину проникновения в помещение.Так называемая гибридная система подачи воздуха сочетает в себе характеристики как систем MV, так и DV, и способна преодолеть недостатки системы DV. Недавно были разработаны некоторые гибридные системы распределения воздуха, такие как система IJ и система CJ (Karimipanah and Awbi, 2002; Chen et al., 2012, 2013a, b) (см. Таблицу 1).

Система IJ использует воздуховод или отверстие для подачи струи воздуха вниз к полу, чтобы она распространялась на большую площадь пола (Karimipanah and Awbi, 2002).Как устройство подачи среднего импульса, вентиляция IJ может сочетать положительные эффекты как систем смешивания, так и систем вытеснения. Струя, которую он производит, имеет больший импульс, чем у DV, и поэтому может распространяться более равномерно по полу. В результате система может обеспечить зону чистого воздуха в нижней части занятой зоны, такую ​​как DV, но способна достигать большего положения в комнате, чем система DV. Кроме того, можно использовать систему IJ как в режиме обогрева, так и в режиме охлаждения.В системе CJ несколько струй, выходящих из близко расположенных щелей или круглых отверстий в одних и тех же направлениях потока, сливаются вместе на небольшом расстоянии вниз по течению, образуя единую струю, обычно близкую к поверхности помещения, такой как стена или пол. Комбинированные струи затем направляются к полу для создания эффекта, аналогичного эффекту от системы IJ, таким образом, создавая больший горизонтальный разброс по полу, чем система смещенных струй (Cho et al., 2008; Janbakhsh et al., 2009; Ghahremanian and Moshfegh, 2014a, b).Характеристики CJ аналогичны IJ с точки зрения подачи воздуха в помещение с более высоким импульсом, а не потока, обусловленного плавучестью, как в случае системы DV.

Исследования, проведенные с использованием систем IJ и CJ, показали, что эти методы подачи воздуха в помещение способны обеспечить значительно лучшие показатели качества воздуха и в то же время потреблять меньше энергии, чем система MV (Karimipanah et al., 2008). Хотя рабочие характеристики систем IJ и CJ довольно близки по сравнению с системой DV с режимом охлаждения, последний метод имеет много недостатков, таких как ограничение при достижении больших расстояний от точки подачи воздуха, низкая мощность охлаждения (<40 Вт / м ² площади пола) и не подходит для отопления (Karimipanah and Awbi, 2002; Cho et al., 2008; Almesri et al., 2013). И IJ, и CJ обычно не имеют таких ограничений.

Будущее развитие вентиляции и распределения воздуха

Как упоминалось ранее, методы распределения воздуха в помещениях и вентиляции были значительно улучшены за последние 40-50 лет. Тем не менее, эта важная область HVAC, которая имеет непосредственное влияние на здоровье и производительность людей, имеет потенциал для дальнейшего развития, так как некоторые часто используемые методы не всегда подходят для проведения IAQ, требуемого жильцами здания, и в то же время для более строгих требований. руководящие принципы энергетической эффективности.Ожидается, что повышение осведомленности о влиянии вентиляции на здоровье человека и его производительность станет более актуальным, и ожидается, что в будущем будет обеспечен более значительный прогресс в обеспечении людей свежим воздухом для удовлетворения чаяний людей. Поэтому следует ожидать, что:

• Нетрадиционные методы распределения воздуха в помещении станут более распространенными;

• более широкое применение вентиляции с регулированием спроса (DCV), т. Е. Прямая связь подачи свежего воздуха с IAQ;

• больше полагаться на использование инструментов моделирования для визуализации движения воздуха в помещении, таких как вычислительная гидродинамика (CFD), для улучшения наших прогнозов производительности систем вентиляции на этапе проектирования;

• переход к более энергоэффективным методам распределения воздуха в помещении;

• совершенствование процедур обеспечения качества и технического обслуживания систем вентиляции.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Отзывы

Almesri, I., Awbi, H. B., Foda, E. и Siren, K. (2013). Индекс распределения воздуха для оценки теплового комфорта и качества воздуха в однородных и неоднородных тепловых средах. Крытый Построен. Environ. 22, 618–639.doi: 10.1177 / 1420326X12451186

CrossRef Полный текст | Google Scholar

ASHRAE Справочник. (2011). HVAC Применение . Атланта, Джорджия: ASHRAE.

Google Scholar

Awbi, H. B. (2003). Вентиляция зданий , 2-е изд. Лондон: Спон Пресс.

Google Scholar

Awbi, H. B. (2007). Вентиляционные системы: проектирование и исполнение . Лондон: Спон Пресс.

Google Scholar

Awbi, H.Б. (2011). «Энергоэффективная вентиляция для модернизированных зданий», 9009 Материалы 48-й Международной конференции AiCARR «Энергоэффективность существующих зданий» (Бавено), 23–46.

Google Scholar

Bakó-Biró, Z. S. (2004). Восприятие человеком, SBS Симптомы и выполнение офисной работы во время воздействия воздуха, загрязненного строительными материалами и персональными компьютерами . Кандидат наук. Дипломная работа, Международный центр окружающей среды и энергетики, Технический университет Дании.

Google Scholar

Строительный регламент. (2010). Часть F1: Средства вентиляции . Лондон: Департамент сообществ и местного самоуправления.

Google Scholar

Cao G., Awbi H., Yao R., Fan, Y., Sirén K., Kosonen R., et al. (2014). Обзор эффективности различных систем вентиляции и распределения воздуха в зданиях. Build. Environ. 73, 171–186. DOI: 10.1016 / j.buildenv.2013.12.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Х.Дж., Мошфег Б. и Целин М. (2012). Численное исследование поведения потока изотермической падающей струи в комнате. Build. Environ. 49, 154–166. doi: 10.1016 / j.buildenv.2011.09.027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Х.Дж., Мошфег Б. и Целин М. (2013a). Исследование потоковых и тепловых характеристик падающих струйных систем вентиляции в офисе с различными тепловыми нагрузками. Build. Environ. 59, 127–144. doi: 10.1016 / j.buildenv.2012.08.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Х.Дж., Мошфег Б. и Целин М. (2013b). Вычислительные исследования факторов, влияющих на тепловой комфорт при воздействии струйной вентиляции. Build. Environ. 66, 29–41. doi: 10.1016 / j.buildenv.2013.04.018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cho, Y. и Awbi, H. B. (2007). Исследование влияния расположения источника тепла в вентилируемом помещении с использованием множественного регрессионного анализа. Build. Environ. 42, 2072–2082. doi: 10.1016 / j.buildenv.2006.03.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чо, Й.Дж., Хазим Б., Авби Х.Б. и Каримипана Т. (2008). Теоретическое и экспериментальное исследование вентиляции приточных струй и их сравнение с вытеснительной вентиляцией. Build. Environ. 43, 1091–1100. doi: 10.1016 / j.buildenv.2007.02.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Этеридж, Д.и Sandberg, M. (1996). Вентиляция зданий: теория и измерение . Чичестер: Вилли.

Google Scholar

Европейская совместная акция. (1992). Руководство по требованиям вентиляции в зданиях . Отчет № 11, 14449 евро. Люксембург: Комиссия европейских сообществ.

Google Scholar

Fanger, P. O. (1972). Thermal Comfort . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Макгроу-Хилл.

Google Scholar

Fanger, P.О. (1988). Внедрение блоков olf и decipol для количественной оценки загрязнения воздуха, воспринимаемого людьми внутри и снаружи помещений. Energy Build. 12, 1–6. doi: 10.1016 / 0378-7788 (88)

-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fanger, P. O. и Christensen, N.K. (1986). Восприятие тяги в вентилируемых помещениях. Эргономика 29, 215–235. doi: 10.1080 / 00140138608968261

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fisk, W.J. (2000). Здоровье и производительность повышаются благодаря улучшению внутренней среды и их взаимосвязи с энергоэффективностью зданий. год Rev. Energy Environ. 25, 537–566. doi: 10.1146 / annurev.energy.25.1.537

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ghahremanian, S., и Moshfegh, B. (2014a). Исследование проксимальной области малых струй Рейнольдса — часть 1: оценка моделей турбулентности при прогнозировании входных граничных условий. ASHRAE Trans. 120, 256–270.

Google Scholar

Ghahremanian, S., и Moshfegh, B. (2014b). Исследование проксимальной области малых струй Рейнольдса — часть 2: численное предсказание поля течения. ASHRAE Trans. 120-pp, 271–285.

Google Scholar

Гуннарсен Л. и Фангер П. О. (1992). Адаптация к загрязнению воздуха внутри помещений. Environ. Int. 18, 43–47. doi: 10.1016 / 0160-4120 (92)

-M

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джанбахш, С., Moshfegh, B. и Ghahremanian, S. (2009). Недавно разработанный диффузор для производственных помещений. Int J Вентиляция 9, 59–68.

Google Scholar

Karimipanah T. и Awbi H. B. (2002). Теоретическое и экспериментальное исследование ударной струйной вентиляции и сравнение с вытеснительной вентиляцией. Build. Environ. 37, 1329–1342. doi: 10.1016 / S0360-1323 (01) 00117-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Karimipanah, T., Awbi, H. B., Sandberg, M. и Blomqvist, C. (2007). Исследование качества воздуха, параметров комфорта и эффективности для двух систем подачи воздуха на уровне пола в классных комнатах. Build. Environ. 42, 647–655. doi: 10.1016 / j.buildenv.2005.10.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Karimipanah, T., Awbi, H. B. и Moshfegh, B. (2008). Индекс распределения воздуха как показатель энергопотребления и производительности систем вентиляции. ДжHum. Environ. Сист. 11, 77–84. doi: 10.1618 / jhes.11.77

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Müller D., Kandzia C., Kosonen R., Melikov A.K. и Nielsen P.V. (2013). Смесительная вентиляция: Руководство по проектированию распределения смешанного воздуха . Брюссель: Руководство REHVA 19.

Google Scholar

Nielsen, P.V. (1993). Вентиляция смещения: теория и дизайн . Дания: Ольборгский университет.

Google Scholar

Seppänen, O.(2012). Влияние EPBD на будущие системы вентиляции. REHVA J. 2, 34–38.

Google Scholar

Skistad, H., Mundt, E., Nielsen, P.V., Hagström, K. и Railio, J. (2004). Вентиляционная система в непромышленных помещениях . Брюссель: Руководство REHVA 1.

Google Scholar

Какие бывают виды промышленной вентиляции?

Промышленную вентиляцию можно встретить на многих рабочих местах, особенно там, где есть множество загрязняющих веществ в воздухе. Обычно это считается одним из основных методов, используемых для снижения воздействия токсинов в воздухе или легковоспламеняющихся паров на работников, и он работает путем замены загрязненного воздуха на более чистую атмосферу. Существует два основных типа промышленных вентиляционных систем, и они включают в себя разрежение и местную вытяжную вентиляцию.

Вентиляция разбавления может включать несколько методов: от впуска свежего воздуха путем открытия дверей и окон до использования больших вентиляторов.Смысл таких промышленных вентиляционных систем состоит в том, чтобы направлять воздух от сотрудников, чтобы они не вдыхали загрязненный воздух во время работы. Некоторые из преимуществ этого типа включают в себя простоту установки в большинстве случаев, как правило, незначительное техническое обслуживание и эффективность в борьбе с небольшими источниками загрязнений. Недостатки этого вида промышленной вентиляции связаны главным образом с тем фактом, что она обычно не может обрабатывать большое количество токсичных химических веществ или паров, которые могут загрязнять воздух.Типичным примером вентиляции с разбавлением являются крупные коммерческие вентиляторы.

Локальная вытяжная вентиляция — это разновидность промышленной вентиляционной системы, которая направлена ​​на предотвращение загрязнения до его распространения. В отличие от вентиляции с разбавлением, этот тип не использует вентиляторы для рассеивания воздуха. Скорее, он работает аналогично вакууму, что обычно приводит к низкой концентрации загрязняющих веществ.Часто он лучше всего подходит для очень токсичных химикатов или большого количества пыли или паров. Хотя локальная вытяжная вентиляция обычно достаточно эффективна и энергосберегающая, ее установка, как правило, обходится дороже, чем вентиляция с разбавлением, и многие известны как система с высоким уровнем обслуживания.

В отличие от систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, основной целью промышленных систем вентиляции является выталкивание воздуха наружу без его рециркуляции.Независимо от того, какое решение выбрано, часто считается важным, чтобы в большинстве зданий была хотя бы одна система, содержащая загрязнители воздуха. К распространенным загрязнителям, которые удаляются системами вентиляции, часто относятся легковоспламеняющиеся пары, сварочные пары, пыль, плесень, асбестовые волокна, масляный туман и токсичные химические вещества.

Системы вентиляции часто считаются решающими для контроля качества воздуха в помещениях.При наличии определенных загрязнителей на карту ставится не только здоровье работников, но и их комфорт. Фактически, некоторое количество воздуха внутри помещений в некоторых промышленных зданиях может быть хуже для здоровья, чем воздух снаружи. Чтобы выполнить контроль качества воздуха и убедиться, что системы вентиляции находятся в рабочем состоянии, профессионалы обычно собирают пробы воздуха и моделируют поток воздуха с помощью компьютера.