Как добиться соответствия ASHRAE 62.1 при проектировании системы VAV

Цели обучения

• Ознакомьтесь с ключевыми требованиями ASHRAE 62.1 применительно к системам с переменным объемом воздуха (VAV), включая эффективность распределения воздуха по зонам и эффективность вентиляции системы.
• Определите проблемы, с которыми сталкиваются системы VAV для обеспечения соответствия требованиям, такие как различная скорость воздушного потока, разнообразие людей и их влияние на подачу наружного воздуха.
• Применяйте стратегии для достижения соответствия проекту VAV, включая методы расчета наружного воздуха и методы балансировки, чтобы обеспечить стабильную производительность вентиляции.

Статистика VAV

• Система VAV повышает коммерческую энергоэффективность и комфорт за счет регулирования воздушного потока для удовлетворения определенных зональных нагрузок, сохраняя при этом постоянную температуру приточного воздуха.
• Чтобы оставаться в соответствии со стандартами вентиляции, система VAV должна быть тщательно спроектирована, чтобы обеспечить соблюдение минимальных требований к наружному воздуху во всех зонах, даже если объемы подачи колеблются.

Системы с переменным расходом воздуха (VAV) являются одной из наиболее широко используемых стратегий распределения воздуха при проектировании коммерческого отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) благодаря своей гибкости, энергоэффективности и совместимости с современными стандартами вентиляции, такими как стандарт ASHRAE 62.1: Вентиляция и приемлемое качество воздуха в помещениях.

Понимание того, как определяются и применяются системы VAV, особенно по сравнению с системами постоянного объема воздуха (CAV), имеет важное значение для создания высокопроизводительных конструкций, соответствующих нормам и правилам.

Справочник ASHRAE 2024 года «Системы и оборудование HVAC» содержит подробные рекомендации по подходам к распределению воздуха. Например, в главе 2, раздел 2.10 «Однозонные системы VAV» подробно обсуждаются однозонные системы VAV, излагаются их преимущества и недостатки, рекомендуемые последовательности управления, варианты оконечных устройств и ключевые аспекты применения.

Этот основополагающий материал помогает проектировщикам определить, когда подход VAV уместен, как его следует интегрировать со стратегиями вентиляции и какие эксплуатационные характеристики наиболее сильно влияют на производительность системы. Также поясняется, чем однозонная система VAV отличается от многозонной конфигурации, особенно с точки зрения управления и потенциала энергосбережения. Излагая эти основы в начале главы, руководство обеспечивает основу, которую проектировщики могут применять при работе над более совершенными типами систем VAV.

Распространенным заблуждением является то, что система VAV автоматически означает «коробки VAV». Хотя блоки VAV обычно используются в многозонных системах, они не требуются для всех приложений VAV. В однозонной системе VAV одна вентиляционная установка (AHU) обслуживает одну тепловую зону. Воздушный поток от AHU модулируется в соответствии с нагрузкой помещения, при этом выходы охлаждающего и нагревательного змеевиков одновременно регулируются для обеспечения требуемых тепловых условий. Никаких последующих оконечных устройств VAV не требуется, поскольку контролируется только одна зона.

В этой конфигурации скорость приточного вентилятора AHU меняется в зависимости от потребности, при этом мощность охлаждающего и нагревательного змеевиков регулируется соответствующим образом. Система по-прежнему считается системой VAV, поскольку поток воздуха со временем меняется, даже несмотря на отсутствие клеммных коробок.

В многозонной конфигурации VAV один центральный кондиционер обслуживает несколько тепловых зон, каждая из которых оснащена собственным терминальным блоком (коробкой VAV), который независимо модулирует воздушный поток в ответ на показания датчика температуры помещения. Производители предлагают ряд типов оконечных устройств, включая коробки только для охлаждения, коробки для подогрева с электрическим или подогреванием горячей воды, а также блоки VAV с вентилятором, чтобы удовлетворить различные требования к дизайну и комфорту.

Дополнительные функции, которые следует учитывать, — это изоляция, звукоизоляция и возможности управления. Такое расположение обеспечивает точный контроль температуры на уровне зоны и представляет собой наиболее распространенную конфигурацию системы VAV, используемую в коммерческих офисных зданиях, образовательных учреждениях и учреждениях здравоохранения.

Ключевое различие между системами VAV и CAV заключается в том, как они реагируют на изменения нагрузки. Система CAV обеспечивает фиксированную скорость воздушного потока в помещении. В зависимости от конструкции система CAV может реагировать на изменения нагрузки, модулируя температуру приточного воздуха или, во многих случаях, циклически включая и выключая агрегат. На практике графики работы могут циклически включать охлаждение, но не вентиляцию. Вентиляторы продолжают работать, а наружный воздух (ОА) остается на заданном уровне, поскольку отключение вентиляции в коммерческих помещениях недопустимо.

Типичный жилой кондиционер является хорошим примером системы CAV: вентилятор работает с постоянной скоростью и подает постоянный объем воздуха, в то время как оборудование циклически включается и выключается в зависимости от термостата — или, в некоторых случаях, контроля влажности — для поддержания желаемых условий. Однако во многих новых высокоэффективных бытовых системах используются вентиляторы с регулируемой скоростью, которые модулируют воздушный поток.

Система VAV, напротив, поддерживает температуру приточного воздуха относительно постоянной и изменяет только скорость воздушного потока в соответствии с меняющейся нагрузкой помещения. При пиковой потребности в охлаждении система обеспечивает максимальный поток воздуха; по мере уменьшения нагрузки соответственно уменьшается воздушный поток. Этот подход предлагает ряд преимуществ, особенно в отношении современных энергетических норм и стандартов вентиляции. Уменьшение воздушного потока значительно снижает потребление энергии вентилятором, повышая общую эффективность.

Ссылаясь на законы сродства, уменьшение воздушного потока (Q) на 25 % приводит к снижению скорости вращения вентилятора на 25 % (N), что затем приводит к снижению общего энергопотребления (P) на 42,2 %. В многозонных зданиях системы VAV также позволяют каждому пространству независимо реагировать на собственный профиль нагрузки, что повышает комфорт и обеспечивает более точный контроль окружающей среды (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Уравнения для законов сходства на основе справочника ASHRAE 2024 года, Системы и оборудование HVAC, глава 44.8 «Законы сходства», таблица 1. С разрешения: CDM Smith

Системы VAV полагаются на способность непрерывно модулировать скорость приточного вентилятора в ответ на изменение статического давления в воздуховоде. Когда заслонки VAV открываются и закрываются, профиль давления в системе меняется, и приточный вентилятор регулирует свою скорость для поддержания целевого заданного значения. Традиционно такая модуляция достигалась с помощью преобразователей частоты (ЧРП). Двигатели с электронной коммутацией теперь обеспечивают такое же динамическое управление скоростью, не требуя отдельного частотно-регулируемого привода, что делает регулирование скорости вращения вентилятора более эффективным и рациональным. Изменяя скорость вращения вентилятора, а не регулируя поток воздуха, система значительно снижает потребление энергии, поскольку потребляемая мощность вентилятора резко падает с уменьшением скорости. Это приводит к существенной экономии при работе с частичной нагрузкой, что составляет большую часть строительных операций.

Согласно основам руководства ASHRAE 2025 года, глава 14 «Климатические расчетные условия», системы отопления, вентиляции и кондиционирования обычно рассчитаны так, чтобы соответствовать расчетным условиям 1% охлаждения и 99% отопления, что означает, что здания работают ниже пиковой нагрузки в течение более 90% года. Из-за этого оборудование большую часть своего срока службы модулирует частичную нагрузку, а не работает на полную мощность, что делает эффективность частичной нагрузки гораздо более эффективной, чем пиковая производительность.

Помимо повышения энергоэффективности, работа с регулируемой скоростью позволяет системе лучше согласовывать подачу наружного воздуха с фактической потребностью. Этот стабильный воздушный поток, управляемый потребностью, помогает поддерживать надлежащую скорость вентиляции во всех зонах, обеспечивая соответствие стандарту ASHRAE 62.1 даже при колебаниях занятости и тепловых нагрузках.

В дополнение к центральному управлению на уровне вентиляторов, системы VAV полагаются на стратегии на уровне зон для поддержания комфорта и эффективности во всем здании. В многозонных системах заслонки регулируют объем воздуха, подаваемого в каждую зону (см. Рисунок 2). Помимо простого управления потоком, эти заслонки играют решающую роль в поддержании надлежащей скорости вентиляции при различных условиях нагрузки.

Рис. 2. Схема одноканального воздухораспределительного устройства с регулируемым расходом воздуха, показывающая впускные, выпускные и демпферные компоненты. С разрешения: CDM Смит

Поскольку потребности в зонах колеблются, положение заслонки напрямую влияет на то, сколько ОА в конечном итоге распределяется по каждому помещению, что делает точную работу заслонки необходимой для удовлетворения минимальных требований к вентиляции, предписанных ASHRAE 62.1, глава 6.2 «Процедура регулирования скорости вентиляции». Правильно откалиброванные и быстро реагирующие демпферы помогают предотвратить недостаточную вентиляцию в периоды низкой нагрузки, поддерживают стабильное давление и гарантируют, что стратегия вентиляции системы останется эффективной во всем диапазоне операций VAV.

Калибровка обычно включает в себя установку минимального и максимального положений заслонки в соответствии с требуемыми скоростями воздушного потока, проверенными посредством тестирования и балансировки. Чувствительная заслонка точно отслеживает управляющие сигналы, быстро и пропорционально открываясь и закрываясь, поэтому требуемые изменения воздушного потока выполняются без задержки.

Нормы и стандарты для механических систем

ASHRAE 62.1 устанавливает технический стандарт, но механический код — это то, что большинство юрисдикций принимает и применяет в качестве обязательных требований. В зависимости от штата это может быть кодекс штата или более строгие муниципальные поправки, обычно основанные на Международном механическом кодексе (IMC). Проектировщики часто следуют последним рекомендациям ASHRAE в отношении передовой практики, и соответствие в конечном итоге оценивается по версии механического кодекса, принятой компетентным органом.

ASHRAE 62.1 определяет, какие помещения требуют выделенной вытяжки, а также минимальную скорость вытяжки, как указано в ASHRAE 62.1, Таблица 6-2 «Минимальная скорость вытяжки». Этот стандарт также устанавливает минимальные уровни вентиляции, необходимые для поддержания приемлемого качества воздуха в помещениях (IAQ) в жилых помещениях, как указано в Таблице 6-1 «Минимальные уровни вентиляции в зоне дыхания».

В контексте ASHRAE 62.1 и механических норм «вентиляция» конкретно относится к открытому воздуху, внесенному в здание, а не к потоку приточного, возвратного или вытяжного воздуха. ASHRAE 62.1 определяет поток наружного воздуха, который должен поступать в каждую зону в зависимости от количества людей и площади пола, что составляет основу любого соответствующего проекта вентиляции.

Вытяжной воздух выполняет в зданиях две основные функции: удаление загрязнений из источника и поддержание необходимого соотношения давлений. Эти функции особенно важны между соседними помещениями для предотвращения перекрестного загрязнения — например, для обеспечения того, чтобы лабораторные помещения не оказывали негативного воздействия на окружающие зоны или наоборот.

В системах VAV эти функции становятся более сложными, поскольку поток приточного воздуха меняется в зависимости от нагрузки. Поскольку приточный воздух модулируется, выхлопную систему необходимо проектировать и контролировать так, чтобы обеспечить постоянное удаление загрязнений и контроль давления. Без надлежащей координации соотношение давлений может измениться по мере уменьшения потока приточного воздуха, что потенциально может поставить под угрозу сдерживание.

ASHRAE 62.1 устанавливает минимальную скорость вытяжного воздуха для многих типов помещений. Эти скорости обычно выражаются в кубических футах в минуту (кубических футах в минуту) на квадратный фут или в кубических футах в минуту на единицу. Например, для туалетных комнат обычно требуется от 50 до 70 кубических футов в минуту на одно приспособление, а для туалетов для уборщиков требуется примерно 1,0 кубических футов в минуту на квадратный фут. Поддержание этих минимальных скоростей выхлопных газов в процессе проектирования важно для обеспечения удаления загрязнений с предсказуемой скоростью, независимо от диапазона регулирования VAV в системе подачи.

В системах VAV эти требования напрямую пересекаются с изменяющимся характером воздушного потока системы. Поскольку поток приточного воздуха модулируется в ответ на изменение нагрузки, стратегия вентиляции должна гарантировать, что каждая зона продолжает получать необходимый минимальный OA при всех рабочих условиях, а не только во время пикового охлаждения, когда поток воздуха самый высокий.

В многозонных системах VAV кондиционер должен подавать достаточное количество OA на уровне системы, чтобы удовлетворить «критическую» зону — зону, которая в любом заданном рабочем состоянии требует наибольшей доли OA по отношению к потоку приточного воздуха. Поскольку потоки воздуха в отдельных зонах модулируют изменяющуюся нагрузку, критическая зона может смещаться в течение дня, напрямую влияя на потребление ОА, необходимое на уровне системы.

Чтобы справиться с этой изменчивостью, проектировщики должны рассчитать требования к OA для каждой зоны, определить эффективность вентиляции системы и оценить производительность как в условиях пиковой, так и частичной нагрузки. При правильной реализации этот подход обеспечивает соответствие ASHRAE 62.1, одновременно оптимизируя использование энергии, гарантируя, что IAQ, соотношение давлений и общая производительность системы остаются стабильными, даже если блоки VAV постоянно настраиваются по всему зданию.

Управление системами VAV: ключевые проблемы и решения

Существуют проблемы, связанные как с однозонными, так и с многозонными системами переменного объема. Чтобы бороться с этим, при расчете требуемого расхода воздуха во всей системе необходимо учитывать различные факторы. Расчеты вентиляции можно выполнить с помощью поставляемых ASHRAE электронных таблиц или программного обеспечения поставщика, которые включают стандарты вентиляции ASHRAE 62.1 в общий расчет системы. При использовании программного обеспечения поставщика результаты следует сверять с ASHRAE 62.1. Эффективность зонального распределения воздуха (Ez) является одним из факторов, который необходимо учитывать при определении требований к открытому воздуху. Ez — это то, насколько хорошо система будет растворять загрязняющие вещества в зоне дыхания.

Таблица 1. Значения зональной эффективности распределения воздуха (Ez) для различных типов хорошо смешанных систем распределения. На основе стандарта ANSI/ASHRAE 62.1-2025, таблица 6-4. С разрешения: CDM Смит

ASHRAE 62.1, раздел 6 «Процедуры» перечисляет различные методы подачи воздуха и соответствующие значения Ez в зависимости от того, как воздух распределяется по зонам. Три различных типа конфигурации:

• Системы распределения воздуха с хорошим перемешиванием (см. Таблицу 1)
• Системы послойного распределения воздуха
• Персонализированные системы вентиляции

Как системы стратифицированного воздуха, так и системы индивидуальной вентиляции имеют потенциальные значения Ez больше 1, что, в свою очередь, снижает требования к ОА. Хорошо перемешанные системы будут иметь значения Ez меньше или равные 1, что может увеличить требуемый ОА. Как видно из Таблицы 1, экземпляры, в которых значения Ez меньше 1, — это те, которые возвращают воздух к потолку в режиме отопления. Удаление потенциальных загрязнений из зоны дыхания менее эффективно, поскольку горячий воздух поднимается вверх, а воздух в зоне дыхания плохо перемешивается из-за того, что подача осуществляется сверху.

Согласно ASHRAE 62.1, зона дыхания — это часть занимаемого пространства, расположенная на высоте от 3 до 72 дюймов над полом и на расстоянии не менее 2 футов от стен или стационарного оборудования для кондиционирования воздуха. Самый эффективный способ предотвратить выход воздуха из этой зоны — использовать возврат на уровне пола.

Однако такой подход не всегда практичен, особенно в зданиях без подвалов, что распространено во многих южных регионах.

Для конструкции OA значение Ez необходимо разделить на минимальное требование OA ASHRAE 62.1 (Vbz), а затем умножить на поправочный коэффициент плотности воздуха (Eρ, см. Рисунок 3), в результате чего получить скорректированное значение OA (Voz). ASHRAE 62.1, таблица 6-5 «Поправочный коэффициент плотности воздуха» содержит различные поправочные коэффициенты для плотности воздуха в зависимости от того, насколько высоко расположен воздухозаборник OA над уровнем моря. Это уравнение показывает, как потенциально можно получить повышенную ценность для хорошо смешанных систем распределительного типа с максимальной доходностью.

Рис. 3. Уравнение для определения поправки на наружный воздух с использованием эффективности распределения воздуха по зонам. На основе стандарта ASHRAE 62.1-2025, уравнение 6-2. С разрешения: CDM Смит

Нормативное приложение C к ASHRAE 62.1 демонстрирует альтернативный метод расчета эффективности зонального распределения воздуха и может привести к более высоким или более низким требованиям к OA, чем при использовании расчетов на рисунке 3, которые можно использовать только для обоснования использования значения Ez, которое приводит к более низкому минимальному расходу OA. Этот метод учитывает средние концентрации загрязнений в зоне дыхания, на притоке и на выпуске. Этот метод требует использования программного обеспечения для моделирования вычислительной гидродинамики.

Примером использования Нормативного приложения C могут быть проекты LEED Совета по экологическому строительству США, которые стремятся к гораздо более высокой энергоэффективности, поэтому более оптимизированные расчеты могут помочь получить больше очков для достижения целей проекта.

Многозонные системы представляют собой более сложную задачу, когда речь идет о системах VAV, поскольку в системе может потребоваться разная скорость воздушного потока из-за разнообразия пассажиров (D). Разнообразие обитателей учитывает, как будет меняться количество людей в разных зонах системы. Это может быть связано с различиями в типе помещения или времени суток — например, пиковая нагрузка людей может не совпадать в одно и то же время в офисном помещении и в комнате отдыха. Затем разнообразие пассажиров используется вместе с эффективностью вентиляции системы, чтобы определить скорректированную OA, необходимую для системы. Эффективность вентиляции системы (Ev) — это то, насколько хорошо система подает воздух в каждую зону, и зависит от разнообразия пассажиров (см. Рисунок 4).

Рисунок 4. Уравнение для определения поправки на наружный воздух с использованием эффективности вентиляции системы. На основе стандарта ASHRAE 62.1-2025, уравнения 6-7 и 6-8. С разрешения: CDM Смит

Как и эффективность распределения воздуха по зонам, это значение Ev затем делится на требования к вентиляции ASHRAE 62.1, чтобы в конечном итоге определить скорректированный воздушный поток, необходимый для системы. Более высокое разнообразие агентов приводит к более низким скорректированным значениям OA, тогда как более низкое разнообразие агентов приводит к более высоким скорректированным значениям OA.

Другим методом определения эффективности вентиляции системы для нескольких зон является использование Нормативного приложения А ASHRAE 62.1. Это может привести к более ограничительному результату, и будет использоваться более высокое требование открытого доступа из двух.

Чтобы определить количество OA, подаваемого в одну зону в многозонной системе VAV, значение Ez для каждой зоны рассчитывается отдельно с использованием таблицы 1. Это даст скорректированное количество OA, необходимое для этого отдельного пространства. Эти скорректированные значения OA затем сравниваются с расчетными расходами приточного воздуха системы, чтобы определить зону с самой высокой фракцией, которая будет считаться наиболее критической зоной.

Приточный воздух представляет собой пиковую подачу в каждую коробку VAV, а значения OA являются минимальными, необходимыми согласно ASHRAE 62.1 (см. Рисунок 5). В таблице 2 представлены эти значения с соответствующими фракциями ОА.

Рисунок 5: Упрощенная схема управления многозонной системой переменного расхода воздуха. С разрешения: CDM Смит

Зона 3 будет критической зоной, поскольку в ней содержится наибольшая доля требуемого ОА по сравнению с приточным воздухом (см. Таблицу 2). Следовательно, система должна быть спроектирована так, чтобы обеспечить по крайней мере эту часть ОА всей системе.

Поскольку многозонные системы VAV смешивают весь OA на выходе агрегата, а не направляют его отдельно в каждое помещение, нет никакой гарантии, что туда попадет количество воздуха, необходимое для критической зоны, если бы эта фракция OA не была учтена. Если доля ОА потенциально слишком высока, это можно уменьшить, подавая больше приточного воздуха в эту отдельную зону, тем самым уменьшая как фракцию ОА, так и общую долю ОА в системе (с учетом того, что другая зона может затем стать новой критической зоной).

Таблица 2. Пример требований и фракций вентиляции системы с переменным объемом воздуха. С разрешения: CDM Смит

После завершения строительства системы ОА следует провести полевые испытания, чтобы убедиться, что зоны дыхания по всей системе получают заданный объем вентиляции. Сюда входят минимальные проценты OA, а также минимальные и пиковые значения SA для блоков VAV. Если помещения не обеспечивают необходимой вентиляции, необходимо провести тщательное исследование функциональности физических компонентов или элементов управления.

Количество ОА, всасываемого в систему, контролируется заслонками с электроприводом, которые могут быть от полностью открытыми до полностью закрытыми в зависимости от потребностей зоны. Он, как и другие компоненты блока VAV, управляется с помощью системы прямого цифрового управления, которая помогает автоматизировать любые функции, необходимые для поддержания качества воздуха в период занятости.

Публикация «Как добиться соответствия требованиям ASHRAE 62.1 при проектировании систем VAV»