Расчет систем вентиляции

Производительность по воздуху

Расчет системы вентиляции начинается с определения производительности по воздуху (воздухообмена), измеряемой в кубометрах в час. Для расчетов нам потребуется план объекта, где указаны наименования (назначения) и площади всех помещений.

Подавать свежий воздух требуется только в те помещения, где люди могут находиться длительное время: спальни, гостиные, кабинеты и т. п. В коридоры воздух не подается, а из кухни и санузлов удаляется через вытяжные каналы. Таким образом, схема движения воздушных потоков будет выглядеть следующим образом: свежий воздух подается в жилые помещения, оттуда он (уже частично загрязненный) попадает в коридор, из коридора — в санузлы и на кухню, откуда удаляется через вытяжную вентиляцию, унося с собой неприятные запахи и загрязнители. Такая схема движения воздуха обеспечивает воздушный подпор «грязных» помещений, исключая возможность распространения неприятных запахов по квартире или коттеджу.

Для каждого жилого помещения определяется количество подаваемого воздуха. Расчет обычно ведется в соответствии со  СНиП 41-01-2003 и МГСН 3.01.01. Поскольку СНиП задает более жесткие требования, то в расчетах мы будем ориентироваться на этот документ. В нем говорится, что для жилых помещений без естественного проветривания (то есть там, где окна не открывают) расход воздуха должен составлять не менее 60 м³/ч на человека. Для спален иногда используют меньшее значение — 30 м³/ч на человека, поскольку в состоянии сна человек потребляет меньше кислорода (это допустимо по МГСН, а также по СНиП для помещений с естественным проветриванием). При расчете учитываются только люди, находящиеся в помещении длительное время. Например, если у вас в гостиной пару раз в году собирается большая компания, то увеличивать производительность вентиляции из-за них не нужно. Если же вы хотите, чтобы гости чувствовали себя комфортно, можно установить VAV-систему, которая позволяет регулировать расход воздуха раздельно в каждом помещении. С такой системой вы сможете увеличить воздухообмен в гостиной за счет его снижения в спальне и других помещениях.

После расчета воздухообмена по людям нам нужно рассчитать воздухообмен по кратности (этот параметр показывает, сколько раз в течение одного часа в помещении происходит полная смена воздуха). Чтобы воздух в помещении не застаивался, нужно обеспечить хотя бы однократный воздухообмен.

Таким образом, для определения требуемого расхода воздуха нам нужно рассчитать два значения воздухообмена: по количеству людейи по кратности и, после чего выбрать большее из этих двух значений:

1. Расчет воздухообмена по количеству людей: 
   
   L = N * Lnorm, где
   L — требуемая производительность приточной вентиляции, м³/ч;
   N — количество людей;
   Lnorm — норма расхода воздуха на одного человека:
   •      в состоянии покоя (сна) — 30 м³/ч;
   •      типовое значение (по СНиП) — 60 м³/ч;
2. Расчет воздухообмена по кратности: 
   
   L = n * S * H, где
   L — требуемая производительность приточной вентиляции, м³/ч;
   n — нормируемая кратность воздухообмена:
   для жилых помещений – от 1 до 2, для офисов – от 2 до 3;
   S — площадь помещения, м²;
   H — высота помещения, м;

Рассчитав необходимый воздухообмен для каждого обслуживаемого помещения, и сложив полученные значения, мы узнаем общую производительность системы вентиляции. Для справки типовые значения производительности вентиляционных систем:

• Для отдельных комнат и квартир — от 100 до 500 м³/ч;
• Для коттеджей — от 500 до 2000 м³/ч;
• Для офисов — от 1000 до 10000 м³/ч.

Расчет воздухораспределительной сети

После определения производительности вентиляции можно переходить к проектированию воздухораспределительной сети, которая состоит из воздуховодов, фасонных изделий (переходников, разветвителей, поворотов), дроссель-клапанов и распределителей воздуха (решеток или диффузоров). Расчет воздухораспределительной сети начинают с составления схемы воздуховодов. Схему составляют таким образом, чтобы при минимальной общей длине трассы система вентиляции могла подавать расчетное количество воздуха во все обслуживаемые помещения. Далее по этой схеме рассчитывают размеры воздуховодов и подбирают воздухораспределители.

Расчет размеров воздуховодов

Для расчета размеров (площади сечения) воздуховодов нам нужно знать объем воздуха, проходящий через воздуховод в единицу времени, а также максимально допустимую скорость воздуха в канале. При увеличении скорости воздуха размеры воздуховодов уменьшаются, но уровень шума и сопротивление сети возрастают. На практике для квартир и коттеджей скорость воздуха в воздуховодах ограничивают на уровне 3–4 м/с, поскольку при более высоких скоростях воздуха шум от его движения в воздуховодах и распределителях может стать слишком заметным.

Следует также учитывать, что использовать «тихие» низкоскоростные воздуховоды большого сечения не всегда возможно, поскольку их сложно разместить в запотолочном пространстве. Снизить высоту запотолочного пространства позволяет применение прямоугольных воздуховодов, которые при одинаковой площади сечения имеют меньшую высоту, чем круглые (например, круглый воздуховод диаметром 160 мм имеет такую же площадь сечения, как и прямоугольный размером 200×100 мм). В тоже время монтировать сеть из круглых гибких воздуховодов проще и быстрее.

Итак, расчетная площадь сечения воздуховода определяется по формуле:

Итоговый результат мы получаем в квадратных сантиметрах, поскольку в таких единицах измерения он более удобен для восприятия.

Фактическая площадь сечения воздуховода определяется по формуле:

В таблице приведены данные по расходу воздуха в круглых и прямоугольных воздуховодах при разных скоростях движения воздуха.

Расчет размеров воздуховода производится отдельно для каждой ветки, начиная с магистрального канала, к которому подключается вентустановка. Отметим, что скорость воздуха на ее выходе может достигать 6–8 м/с, поскольку размеры присоединительного фланца вентустановки ограничены размером ее корпуса (шум, возникающий внутри нее, гасится шумоглушителем). Для уменьшения скорости воздуха и снижения уровня шума размеры магистрального воздуховода часто выбирают больше размеров фланца вентустановки. В этом случае подключение магистрального воздуховода к вентустановке производится через переходник.

В бытовых системах вентиляции обычно используются круглые воздуховоды диаметром от 100 до 250 мм или прямоугольные эквивалентного сечения.

Выбор воздухораспределителей

Зная расход воздуха можно подобрать по каталогу воздухораспределители с учетом соотношения их размеров и уровня шума (площадь сечения воздухораспределителя, как правило, в 1,5–2 раза больше площади сечения воздуховода). Для примера рассмотрим параметры популярных воздухораспределительных решеток Арктос серий АМН, АДН, АМР, АДР: 

В каталоге указываются их размеры (колонка A x B) и площадь сечения (F₀), а также параметры при заданных расходах воздуха (колонки L₀). С увеличением расхода воздуха возрастает уровень шума (Lwa) и падение давления (ΔP_п), а также увеличивается дальнобойность воздушной струи. В соответствующих колонках указывается расстояние от решетки, на котором скорость потока воздуха Vx будет равна 0,2 или 0,5 м/с. Для жилых помещений подбор решеток обычно ведется по колонкам с уровнем шума до 25 дБ(А), в офисах обычно допустим уровень шума до 35 дБ(А).

Для того, чтобы фактические параметры решетки соответствовали тем, что указаны в каталоге, необходимо обеспечить равномерное распределение воздуха по всей ее площади. Для этого желательно использовать камеру статического давления или адаптер с боковым подключением, в котором поток воздуха перед попаданием на решетку поворачивает под прямым углом.

В бытовых системах вентиляции обычно используют распределительные решетки размером от 100×100 мм до 400×200 мм или круглые диффузоры эквивалентного сечения.

Расчет сопротивления сети

В процессе движения воздуха по воздуховодам, адаптерам, распределителям и всем остальным элементам сети, он испытывает сопротивление движению. Чтобы преодолеть это сопротивление и сохранить требуемый расход воздуха, вентилятор должен создавать определенное давление, измеряемое в Паскалях (Па). Чем больше будет падение давление в воздухораспределительной сети, тем ниже станет фактическая производительность вентилятора. Зависимость производительности вентилятора или вентустановки от сопротивления (полного давления) воздухопроводной сети задается в виде графика, который называется вентиляционная характеристика. Подробнее об этом параметре мы расскажем ниже.

Таким образом, для дальнейшего выбора приточной установки нам необходимо рассчитать сопротивление сети. Однако здесь нас поджидают трудности, поскольку точный расчет требует учета сопротивления каждого ее элемента. В проектном отделе этот расчет выполняется автоматически с помощью специализированного программного комплекса, такого как MagiCAD. В Калькуляторе применяется немного упрощенная методика, которая, тем не менее, учитывает все основные параметры сети. Ручной же расчет весьма трудоемок и требует использования большого объема данных — графиков или таблиц сопротивления элементов сети в зависимости от скорости движения воздуха. Для справки приведем типичные значения сопротивления воздухораспределительной сети системы вентиляции на базе приточной установки при скорости воздуха в воздуховодах 3–4 м/с (без учета сопротивления фильтра тонкой очистки):

• 75–100 Па для квартир площадью от 50 до 150 м².
• 100–150 Па для коттеджей площадью от 150 до 350 м².

Сопротивление сети слабо зависит от количества обслуживаемых помещений и определяется протяженностью и конфигурацией самого длинного пути от входа (воздухозаборной решетки) до выхода (воздухораспределителя). Отметим, что приведенные значения справедливы только для систем вентиляции на базе вентиляционной установки, но не наборной системы, поскольку нам не нужно учитывать падение давления на калорифере, фильтре грубой очистки, воздушном клапане и других элементах вентустановки (ее вентиляционная характеристика строится уже с учетом сопротивления всех этих элементов).

Мощность калорифера

После определения производительности вентиляции мы можем рассчитать требуемую мощность калорифера. Для этого нам понадобятся значения температуры воздуха на выходе системы и минимальной температуры наружного воздуха в холодный период года. Температура воздуха, поступающего в жилое помещение, должна быть не ниже +18°С. Минимальная температура наружного воздуха зависит от климатической зоны и для Москвы принимается равной -26°С. Таким образом, при включении калорифера на полную мощность, он должен нагревать поток воздуха на 44°С. Поскольку сильные морозы в Москве непродолжительны, можно использовать калорифер меньшей мощности, при условии, что система вентиляции имеет регулировку производительности: это позволит в холодный период поддерживать комфортную температуру воздуха за счет снижения скорости вентилятора.

Мощность калорифера рассчитывается по формуле:

После расчета мощности калорифера нужно выбрать напряжение питания (для электрического калорифера): 220В / 1 фаза или 380В / 3 фазы. При мощности калорифера свыше 4–5 кВт желательно использовать 3-х фазное подключение. Максимальный ток, потребляемый калорифером, можно рассчитать по формуле:

• 220В — для однофазного питания;
• 660В (3 × 220В) — для трехфазного питания (при подключении нагревателей «звездой» между 0 и фазой ).

Типичные значения мощности калорифера — от 1 до 5 кВт для квартир и от 5 до 50 кВт для офисов и коттеджей. При высокой расчетной мощности лучше устанавливать водяной калорифер, который использует в качестве источника тепла воду из системы центрального или автономного отопления.

Расчет потребляемой электроэнергии

Для систем вентиляции с электрическим калорифером основные затраты электроэнергии приходятся на нагрев холодного приточного воздуха. Чтобы понять, сколько же придется платить за электроэнергию, недостаточно знать только мощность калорифера, ведь с максимальной мощностью калорифер будет работать непродолжительное время, только в период сильных морозов. При повышении температуры наружного воздуха потребляемая мощность уменьшается (все приточные установки автоматически регулируют мощность калорифера для поддержания на выходе заданной температуры), поэтому средняя потребляемая мощность будет заметно ниже максимальной.

Чтобы оценить затраты энергии на нагрев воздуха в течение всего года нужно знать средние температуры воздуха по месяцам (для двухтарифного счетчика потребуются отдельно дневные и ночные температуры). По этим данным можно рассчитать стоимость потребляемой энергии:

В калькуляторе по этой формуле рассчитывается стоимость электроэнергии, затраченной на нагрев воздуха в период с сентября по май. Информация о среднемесячной дневной и ночной температуре воздуха взята из сервиса Яндекс.Погода, тарифы на электроэнергию указаны на 1 июля 2012 для квартир с электроплитами. Фактическая стоимость электроэнергии, разумеется, будет немного иной, поскольку температура воздуха может отличаться от средней в ту или другую сторону, тем не менее полученный результат позволит нам достаточно точно оценить уровень затрат на эксплуатацию системы вентиляции.

Для снижения стоимости эксплуатации можно использовать VAV-систему, которая позволяет снизить расчетную мощность калорифера на 20–30%, а среднее потребление энергии на 30–50%. При этом увеличение стоимости оборудования составит всего 15–20%, что позволит полностью окупить это удорожание за один год. Подробнее о таких системах вентиляции можно прочитать статье VAV-системы.

Выбор приточной установки

Для выбора приточной установки нам потребуются значения трех параметров: общей производительности, мощности калорифера и сопротивления воздухопроводной сети. Производительность и мощность калорифера мы уже рассчитали. Сопротивление сети можно найти с помощью Калькулятора или, при ручном расчете, принять равным типовому значению (см. раздел Расчет сопротивления сети).

Для выбора подходящей модели нам нужно отобрать вентустановки, максимальная производительность которых несколько больше расчетного значения. После этого по вентиляционной характеристике мы определяем производительность системы при заданном сопротивлении сети. Если полученное значение будет несколько выше требуемой производительности вентиляционной системы, то выбранная модель нам подходит.

Для примера проверим, подойдет ли вентустановка с приведенной на рисунке вентхарактеристикой для коттеджа площадью 200 м². 

Расчетное значение производительности — 450 м³/ч. Сопротивление сети примем равным 120 Па. Для определения фактической производительности мы должны провести горизонтальную линию от значения 120 Па, после чего от точки ее пересечения с графиком провести вниз вертикальную линию. Точка пересечения этой линии с осью «Производительность» и даст нам искомое значение — около 480 м³/ч, что немного больше расчетного значения. Таким образом, эта модель нам подходит.

Заметим, что многие современные вентиляторы имеют пологие вентхарактеристики. Это означает, что возможные ошибки в определении сопротивления сети почти не влияют на фактическую производительность системы вентиляции. Если бы мы в нашем примере ошиблись при определении сопротивления воздухопроводной сети на 50 Па (то есть фактическое сопротивление сети было бы не 120, а 180 Па), производительность системы упала бы всего на 20 м³/ч до 460 м³/ч, что не повлияло бы на результат нашего выбора.

После выбора приточной установки (или вентилятора, если используется наборная система) может оказаться, что ее фактическая производительность заметно больше расчетной, а предыдущая модель приточной установки не подходит, поскольку ее производительности недостаточно. В этом случае у нас есть несколько вариантов:

1. Оставить все как есть, при этом фактическая производительность вентиляции будет выше расчетной. Это приведет к повышенному расходу энергии, затрачиваемой на нагрев воздуха в холодное время года.
2. «Задушить» вентустановку с помощью балансировочных дроссель-клапанов, закрывая их до тех пор, пока расход воздуха в каждом помещении не снизится до расчетного уровня. Это также приведет к перерасходу энергии (хотя и не такому большому, как в первом варианте), поскольку вентилятор будет работать с избыточной нагрузкой, преодолевая повышенное сопротивление сети.
3. Не включать максимальную скорость. Это поможет в том случае, если вентустановка имеет 5–8 скоростей вентилятора (или плавную регулировку скорости). Однако большинство бюджетных вентустановок имеет только 3-х ступенчатую регулировку скорости, что, скорее всего, не позволит точно подобрать нужную производительность.
4. Снизить максимальную производительность приточной установки точно до заданного уровня. Это возможно в том случае, если автоматика вентустановки позволяет настраивать максимальную скорость вращения вентилятора.

Нужно ли ориентироваться на СНиП?

Во всех расчетах, которые мы проводили, использовались рекомендации СНиП и МГСН. Эта нормативная документация позволяет определить минимально допустимую производительность вентиляции, обеспечивающую комфортное пребывание людей в помещении. Другими словами требования СНиП направлены в первую очередь на минимизацию стоимости системы вентиляции и затрат на ее эксплуатацию, что актуально при проектировании вентсистем для административных и общественных зданий.

В квартирах и коттеджах ситуация иная, ведь вы проектируете вентиляцию для себя, а не для усредненного жителя и вас никто не заставляет придерживаться рекомендаций СНиП. По этой причине производительность системы может быть как выше расчетного значения (для большего комфорта), так и ниже (для уменьшения энергопотребления и стоимости системы). К тому же субъективное ощущение комфорта у всех разное: кому-то достаточно 30–40 м³/ч на человека, а для кого-то будет мало и 60 м³/ч.

Однако если вы не знаете, какой воздухообмен вам нужен для комфортного самочувствия, лучше придерживаться рекомендаций СНиП. Поскольку современные приточные установки позволяют регулировать производительность с пульта управления, вы сможете найти компромисс между комфортом и экономией уже в процессе эксплуатации системы вентиляции.